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片上集成光学传感检测技术的研究进展.docx
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0. 引 言
在物质传感检测领域,光学技术是一种具有鲜明特点的重要技术手段。由于不存在电
磁干扰,且光信号间也不存在干扰,传输可控性好,因此光学技术具有精度高的特点;光
学技术不存在化学生物等技术中常伴有的慢速的生化反应,因此具有低延时的特点;得益
于各种成熟且功能强大的光学器件,光学技术还具有可成像、可获取光谱信息、非接触、
使用环境友好等特点,因此光学传感检测尤其是近红外、短波红外和中波红外等波段的检
测技术已经遍布材料分析、生物医药、食品安全、智慧农业、环境监测、公共安全和国防
等诸多领域
[1-7]
,例如:荧光探针技术
[8-9]
、拉曼光谱技术
[10-11]
、高光谱成像技术
[12-13]
等。随
着信息时代大数据和物联网等技术的迅速发展,光学传感检测实现智能化、网络化、实时
化,是技术自身发展的趋势,而即时诊疗、现场检测、无人系统搭载监测和遥感等快速增
长的应用场景对光学传感检测也提出了更高集成度、更多功能和更低成本的技术需求
[14-
21]
。传统的光学传感检测技术往往依赖于外部复杂的检测设备,例如:各类光谱分析系统
[22-25]
、超快分析系统
[26-27]
、可调谐激光光源
[28-30]
等以及复杂的耦合光路,存在体积大、质量
重、成本高、操作复杂等问题,无法满足便携式应用的需要。因此,发展微型化甚至单片
集成的光学传感检测芯片具有重要的应用前景
[31]
。
光学传感检测技术最初的小型化方案是利用微型光学元件将传统大型检测系统改造得
更加紧凑,例如:采用凹面光栅反射镜来替代分光光栅和准直光路的微型光谱仪
[32]
,结合
反射光栅和图像传感器的生化检测手机平台
[33]
、利用光纤将分布式反馈激光光源、微腔传
感器和探测器连接起来的微型温度传感系统
[34]
、结合超表面反射滤波器阵列和图像传感器
的微型光谱仪
[35]
等。从技术架构上来讲,这种小型化方案并没有改变常规测试系统的工作
原理。由于光学元件(如:光栅)的性能与元件尺寸和光路长短有关,而且传感信号也与
被测物和光场的作用距离正相关,小型化必然带来性能的急剧下降
[19]
。不仅如此,这种小
型化方案受限于光学元件的最小尺寸和耦合连接方式,存在明显的尺寸下限。随着纳米光
学与纳米加工技术的发展,为光学传感检测技术的小型化提供了更多的可能性,纳米光学
共振结构可以极大增强光与物质的相互作用,并提供在空间域和频域等多维度的光场调控
能力,还能够方便地进行多功能集成,科学家们期望借此能更进一步实现完全芯片集成的
光学传感检测功能
[15,36-37]
。近年来,“芯片实验室”的概念就在纳米技术发展的推动下引起了
研发热潮,一些新奇的“芯片实验室”光学传感器被相继报道
[38-41]
,例如:基于硅纳米盘结
构和微流集成芯片的癌症标记物检测
[38]
,基于二氧化硅纳米柱支撑金纳米盘结构的免疫球
蛋白抗体生物识别反应
[42]
和基于图像传感器与指压驱动的微型血型分析仪
[43]
等。这方面已
有不少优秀的综述论文
[15,17,44-49]
。不过大多数这些工作仅解决了被测物前端处理和光学传感
信号片上提取的问题,对光学传感信号的探测与解析依然需要外部的精密、庞大的分析检
测设备,因此依然没有从根本上解决光学传感检测技术的便携性难题。
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87292685/bg2.jpg)
一个光学传感检测系统至少包括光源单元、光探测单元、光学传感单元和进行光束控
制耦合的单元。总体来看,实现这些功能单元的单片集成有波导型和自由空间型两类器件
技术架构(图 1)。前者是利用平面光波导作为面内光传输的控制单元将光源、光探测器和光
学传感单元在平面内耦合起来形成单片集成的检测系统,其工作原理可以是基于被测物的
特征吸收谱或某个特征吸收波长处的光强变化
[50]
,也可以是利用光波导谐振结构共振峰在
被测物影响下发生的变化
[51]
;后者是利用可片上集成的自由空间光路将光源、光探测器和
光学传感单元在垂直平面方向耦合起来形成单片集成的检测系统,其工作原理可以是利用
滤波器集成的探测器进行荧光检测
[52]
,也可以是利用光学谐振结构共振峰在被测物影响下
发生的变化
[53]
,还可以基于光传感与光探测原位集成的双功能器件结构
[54]
。这两种架构都
能够实现光学传感信号的片上直接电读出,从而获得光学传感检测系统的准片上集成。如
能进一步实现片上光源的集成,将获得完全体的片上集成型光学传感器
[52,55-56]
。基于这些技
术的光学传感检测芯片可以完全独立工作,方便集成到手机、无人机等平台,实现便携式
应用,并通过大数据、云计算和物联网技术实现功能强大的现场检测。不同于以往集成光
学传感器或“芯片实验室”方面的综述,文中将聚焦上述具有较高集成度或完全独立工作能
力的光学传感检测器件与技术,介绍各类技术工作原理并梳理其发展历程和现状,分析讨
论相关技术特点,最后论述未来的机遇与挑战。
图 1 片上集成光学传感检测技术路线。(a)波导型包括:(a1)基于波导模式的指纹光
吸收传感器
[55]
;(a2)基于波导微谐振腔的折射率传感器
[57]
。(b)自由空间型包括:
(b1)低通滤波器集成的荧光计
[52]
;(b2)微纳谐振结构垂直集成的探测器
[58]
;(b3)具
有原位光电探测的光传感器
[54]
Fig. 1 Route of chip-integrated optical sensing technology. (a) The waveguide type includes: (a1)
Fingerprint light absorption waveguide sensor
[55]
; (a2) Refractive index sensor based on
waveguide microresonator
[57]
. (b) The free-space type includes: (b1) Low-pass filter integrated
fluorometer
[52]
; (b2) Micro/nano-resonant structure vertically integrated detector
[58]
; (b3) Optical
sensor with in-situ photodetection
[54]
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87292685/bg3.jpg)
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1. 波导型片上集成光学传感检测技术
光纤传感是广泛应用的光学传感检测技术,其利用光纤中的传导模式感应被测信号并
传导到光谱仪与解调设备中进而产生输出电信号
[59-60]
。如果用片上光波导代替光纤使得光
在芯片平面内传输,利用其波导模式特性与外界环境的相关性同样可以获得感知能力
[57,61]
。光波导在这里是光传感部分,提供波导模式与被测物相互作用的一个平台。大多数
光波导传感器的输入光和输出光由光栅和光纤等与片外光源、探测器和光谱仪等设备耦合
[41,62-63]
。为了实现片上集成的光学传感检测,至少需要将光探测部分进行片上集成来实现片
上直接的电读出。如果能将光源也集成到同一块芯片上,就能实现完全的片上集成检测芯
片。集成的主要困难在于,光传感器属于无源光子器件,一般用硅/氮化硅等无源波导来实
现,具有传输损耗低、CMOS 兼容和成本低的优势;光源和光探测器是有源光电器件,一
般用三-五族化合物等有源材料来实现,具有高增益和高响应度的优势,两者在材料平台上
存在显著的差异且难以异质集成。
1.1 基于波导模式非色散光吸收的片上光传感技术
波导型传感器最常见的工作机制是基于被测物在特征波长的光吸收来进行物质的检测
与分辨,例如非色散红外吸收光谱技术(non-dispersive infrared absorption, NDIR),通过
检测暴露在被测物环境下的光波导中传输光在特定波长的强度变化来判定被测物的含量。
例如:分布反馈布拉格半导体激光器输出光通过光纤耦合到 SOI 芯片上密集排布的硅纳米
波导中,波导模式的倏逝光场与环境气体作用并在特定波长被目标气体吸收,最后由光纤
耦合到探测器进行解调输出
[64]
。如果将光源、探测器制备到与光波导同一衬底上就实现传
感与探测功能在芯片上的集成。
美国学者 Z. Han 等在氧化硅片上通过热蒸发沉积 GeSbS 红外透明硫系玻璃材料并制
备成光波导,进而在光波导上通过热蒸发沉积 PbTe 红外有源材料形成 40 μm 长的波导探
测器,获得了在 2250 nm 波长处高达 1 A/W 的光电探测响应率
[64]
。进一步,他们将 GeSbS
波导做成螺旋形以提高单位面积的有效波导长度,即提高光与被测物的作用距离(图 2
(a)),在 550 μm×550 μm 区域内获得长达 5 mm 的波导,有效弥补了波导模式倏逝波强
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/87292685/bg4.jpg)
度弱的缺点,得以在实验中展示 1%浓度甲烷的探测
[65]
。除了增加波导长度,还可以通过优
化波导结构来增强波导模式与被测物的相互作用。美国学者 P. T. Lin 等在 SOI 衬底上制备
垂直狭缝硅波导形成纳流腔并通入被测物,探测灵敏度相比于倏逝波传感方式增强了 50
倍,实现了对甲苯和异丙醇的传感检测
[41]
。比利时学者 H. Zhao 等在氧化硅片上制备水平
狭缝 SiN 波导并覆盖多孔氧化硅层,对丙酮、乙醇和异丙醇等挥发性有机化物的检测灵敏
度提高了四个量级
[69]
。挪威学者 J. Jagerska 等报道了一种超倏逝场的波导结构来提高光场
与波导外被测物的空间重叠,利用超薄脊形波导获得了高达 108%的倏逝场限制因子,实
验中仅用 2 cm 长的波导实现 7 ppm (1 ppm=10
−6
)的乙炔检测
[70]
。
图 2 基于波导模式非色散光吸收的片上光传感技术。(a) GeSbS 螺旋光传感波导与
PbTe 探测器单片集成的气体传感器
[65]
;(b) CaF
2
衬底上单片集成硅光传感波导与石墨烯
波导探测器的气体传感器
[66]
;(c) GaSb 衬底上外延制备的带间级联激光器与沉积工艺制
备的 As
2
Se
3
光传感波导的单片集成
[67]
;(d) InP 衬底上量子级联激光器、量子级联探测
器和表面等离子体传感波导单片集成的溶液传感器
[55]
;(e)玻璃衬底上基于 Al-AlO
x
-Au
隧道结的宽带光源与探测器的单片集成,两者间由表面等离子体波导连接
[56]
;(f)在聚合
物柔性基底上单片集成 InGaAs 探测器和硫系玻璃光传感波导
[68]
Fig. 2 On-chip optical sensing technology based on non-dispersive light absorption of the
waveguide mode. (a) Monolithic gas sensor with GeSbS spiral optical sensing waveguide and
PbTe waveguide detector
[65]
; (b) Monolithic gas sensor with silicon optical sensing waveguide
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