光學微瓶諧振腔傳感器研究進展＊

王梓杰，張琦，張小貝?，SUMETSKY Michael，王廷云

①上海大學 通信與信息工程學院，上海 200444；② Aston Institute of Photonic Technologies, Aston University,Birmingham B4 7ET, UK

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》指出要聚焦傳感器等關鍵領域，加快推進裝備材料等研發突破與迭代應用。聚焦傳感器的發展可實現對環境和設備的智能監測和控制，提高生產效率和質量。目前在工業、農業、醫療、軍事等多個領域中各類傳感器已得到應用[1-2]，并且隨著技術的不斷發展，未來還將有更廣泛的應用前景。因此，大力推進傳感器的研發和應用，將對推動經濟社會發展產生積極影響。

光纖傳感器是一種基于光學原理的傳感器，它利用光纖中傳輸光信號來實現對物理量的測量。當光纖中傳輸光受外界物理參量影響時，光信號的波長、相位、強度等特征參量會發生變化，而通過解調變化參量，可實現對外界物理量的測量和監測。光纖傳感器因其具有靈敏度高、響應迅速、抗電磁干擾能力強等優點，在結構健康監測、環境監測、生物醫學等領域備受關注。作為一種尺寸在微米或亞微米量級的光纖器件，光學回音壁模式(whispering gallery mode, WGM)微腔通過全內反射將光長時間限制在微腔內部振蕩，可增強光與物質的相互作用，是實現光纖傳感的重要平臺。早期對WGM微腔的研究主要集中在具有圓對稱結構的微球諧振腔[3-4]，而隨著研究的深入和微納加工技術的發展，如微盤[5-6]、微環[7-8]、微環芯[9-10]、微毛細管[11-13]、微瓶[14-15]、微泡[16-17]等各種形態的WGM微腔也被提出。其中，微瓶和微泡諧振腔具有對光的軸向限制能力和天然的微流通道，在光流微腔傳感應用中受到廣泛關注。

2004年，美國OFS實驗室M.Sumetsky首次對微瓶諧振腔理論模型進行研究[18]，該結構具有扁平形貌，可將光限制在三維區內來回振蕩[19]。通過光纖錐的強倏逝場可將輸入光耦合進微腔內激發WGM，并可通過改變耦合位置分析其傳輸特性[20]。隨著微流控技術的發展，2010年M.Sumetsky等人首次基于空心毛細管制備了具有微米量級壁厚的空心微泡諧振腔(更大曲率的微瓶諧振腔)，并向微腔內填充酒精以驗證其光流傳感的可行性[21]。隨后，微瓶諧振腔在光流傳感領域得到廣泛關注和深入研究，如折射率傳感、生化傳感、磁場傳感和液體屬性傳感等。與此同時，得益于表面納米軸向光子學(surface nanoscale axial photonics, SNAP)技術的發展，軸向半徑變化僅為納米量級的SNAP微瓶腔被提出，其光流傳感應用也在不斷探索中[22-24]。到目前為止，微瓶諧振腔材料不再局限于二氧化硅，包括聚甲基丙烯酸甲酯[25](polymethyl methacrylate, PMMA)、聚二甲基硅氧烷[26](polydimethylsiloxane, PDMS)、硅酸鉛玻璃[27]、硼硅酸鹽玻璃[28]等材料也被廣泛研究，其工作波段也不再局限于中紅外和近紅外波段，已延伸至太赫茲波段[29-30]。

1 回音壁模式微腔傳感機理

通常，微腔可將滿足相位匹配條件(光在腔內傳輸的光程為光波長的整數倍)的光限制在微腔內部共振，導致其無法到達接收端，因此接收端呈現洛倫茲凹陷且每個凹陷代表一個WGM。WGM通過倏逝場將部分能量滲透到微腔內部與環境相互作用，而微小的環境變化將導致WGM特征參量變化，如諧振波長、模式線寬等。通過解調WGM特征參量變化，可實現對外界環境參量變化的檢測。常用的傳感機理主要有三種：模式漂移[31]、模式劈裂[32]和模式展寬[33]。

模式漂移主要利用WGM諧振波長與微腔尺寸和模式有效折射率相關。當外界環境變化導致微腔尺寸或模式有效折射率變化時，其諧振波長將相應改變，如圖1(a)所示。當模式有效折射率或微腔尺寸增加時，諧振波長紅移，反之藍移。模式漂移是最常用的傳感機理，目前已廣泛用于對溫度、壓力、磁場等參量的測量，但該方案易受到系統內部或外界環境的噪聲影響，從而影響其傳感精度和準確性。對于模式劈裂而言，當外界納米顆?；蛐∩锓肿幼鳛閿_動到達微腔表面時，會通過背向散射將原本簡并的WGM劈裂為兩獨立的WGM模式，其模式劈裂量隨擾動強度增加而線性增加，如圖1(b)所示。兩劈裂模式處于同一微腔且具有相同的場分布，受到相同的噪聲影響，因此可構成自參考方案減小噪聲影響。但是，模式劈裂對微腔品質因子(quality factor,Q值)有較高要求，一般需大于107量級，否則會導致劈裂量小于簡并模式線寬而無法從光譜分辨。模式展寬可用于模式劈裂無法分辨的情況，即當外界擾動導致的模式劈裂不可分辨時，其產生的散射損耗和輻射損耗會使WGM線寬展寬，如圖1(c)所示。與模式劈裂相比，模式展寬也可減小噪聲影響且具有更低的檢測極限。

圖1 WGM微腔傳感機理：(a)模式漂移；(b)模式劈裂；(c)模式展寬

2 回音壁模式微瓶諧振腔基礎

2.1 微瓶諧振腔結構模型

微瓶諧振腔結構示意圖如圖2(a)所示，其沿著軸向的半徑R(Z)呈現余弦函數分布[18]：

圖2 微瓶諧振腔結構模型[34]：(a)結構示意圖；(b)不同曲率下的輪廓曲線圖；(c)不同曲率下的能量分布圖

其中，R(0)為微瓶諧振腔的最大半徑，Δk為微瓶諧振腔的曲率。微瓶諧振腔獨特的扁平形貌打破了結構的圓對稱性，可支持大量的非簡并WGM。光在該結構中以螺旋線型在兩個轉折點±Zc間來回傳輸，可實現WGM的軸向限制。圖2(b)繪制了微瓶諧振腔曲率分別為0.004、0.005、0.006、0.007、0.008 μm-1時的輪廓圖[34]。隨著曲率的增加，微瓶諧振腔的“凸起”程度越大，最終可視為微泡諧振腔。在相應曲率下，微瓶諧振腔的光場能量分布如圖2(c)所示。結果表明，大曲率微瓶諧振腔有更好的光束縛能力，有利于提升傳感靈敏度[34]。

2.2 微瓶諧振腔制備工藝

空心微瓶諧振腔可通過加熱內部受壓的毛細管來制備。毛細管在高溫下軟化，并在內部壓強下形成瓶狀結構。熱源可由二氧化碳(CO2)激光器[21,35]、光纖熔接機放電[36-37]和氫氧火焰[38-39]提供。

通過將微毛細管置于二氧化碳激光束中并旋轉，可制備Q值超過106量級且壁厚低至2 μm的微泡諧振腔，如圖3(a)所示。增加二氧化碳激光功率可制備更大曲率且壁厚低至亞微米量級的微泡諧振腔，但在固定激光器功率下，微泡諧振腔壁厚不會低于某一閾值[21]。為提升微泡諧振腔壁厚一致性，采用兩束反向傳播的二氧化碳激光束聚焦加熱毛細管，可得到壁厚低至納米量級且Q值高達5×107量級的微泡諧振腔[40]。二氧化碳激光器制備微瓶諧振腔具有加熱均勻、重復性好等優點，但其光路比較復雜。

圖3 不同熱源制備的微瓶諧振腔：(a)二氧化碳激光器[21]；(b)光纖熔接機[36]；(c)氫氧火焰[39]

通過光纖熔接機放電制備微瓶諧振腔時，需將毛細管一端密封而另一端與壓力裝置連接，并在放電的同時增加內部壓強?？刂品烹姀姸群蛢炔繅簭娍筛淖兾⑵恐C振腔曲率。制備的器件如圖3(b)所示。結合表面積守恒與理想氣體狀態方程，可推導出放電次數與微瓶諧振腔曲率的關系[34]，且微腔壁厚可通過改變內部壓強來控制[39]。光纖熔接機放電制備微瓶諧振腔操作簡單，但放電強度不穩定會導致器件一致性和重復性較差，可通過改裝并旋轉熔接機電極得到改善[41]。使用氫氧火焰制備微腔的步驟與熔接機相似，但為了加熱的一致性，通常需對火焰噴頭形狀進行處理[38]。制備的器件如圖3(c)所示。

一般而言，為減小器件壁厚，可對毛細管進行氫氟酸腐蝕或拉錐的預處理。通過控制氫氟酸濃度和腐蝕時間，可制備壁厚小于2 μm的微瓶諧振腔[42]。但是，氫氟酸腐蝕易導致器件內表面粗糙，從而降低微腔Q值，一般僅為104～ 105量級。通過拉錐得到更大內外徑比的毛細管是制備薄壁微腔的另一有效途徑，其Q值最高可達107～ 108量級[33,43]。

3 微瓶諧振腔傳感應用

3.1 溫度傳感

溫度是表征各種物理、化學和生物過程的基本參量之一，其微小的變化將對系統狀態產生影響，因此實現高精度、大動態范圍的溫度監測至關重要。WGM諧振波長對環境溫度變化十分敏感。當外界溫度變化時，由于熱光和熱膨脹效應，微腔折射率和尺寸將發生改變，導致諧振波長漂移。當微腔內部為空氣時，WGM諧振波長變化取決于微腔材料的熱光系數。對于二氧化硅而言，受其材料限制其靈敏度較低，一般為10 pm/K左右[44]。相比于二氧化硅，PMMA材料具有更高的熱光系數，在25 ～ 80 ℃溫度范圍內可將靈敏度提升至39 pm/K[25]。為進一步提升傳感靈敏度，可在微腔內部填充具有更高熱光系數的液體材料[45]。如圖4(a)所示，通過向微瓶諧振腔內填充酒精，最高可實現0.2 nm/K的傳感靈敏度[46]。此外，微瓶諧振腔內填充高導熱液態金屬水銀[47-48]也是實現高效熱調諧的方式。然而，傳統WGM溫度傳感器依賴追蹤單個WGM的諧振波長變化，未能充分利用全光譜信息，導致傳感量程受限且無法直接讀取溫度絕對值。如圖4(b)所示，通過將全光譜信息轉換為條形碼可突破上述局限，實現寬范圍的溫度傳感且檢測極限低至0.002 ℃[49]。

圖4 微瓶諧振腔溫度傳感：(a)填充酒精用于提升靈敏度[46]；(b)條形碼技術用于提升精度[49]

3.2 壓強、超聲波傳感

外界壓強作用在微瓶諧振腔上時，會導致微腔尺寸和折射率發生變化，因此諧振波長漂移。微腔壁厚對壓強靈敏度有較大的影響，因此可用于微腔壁厚的精確測量[50]。將微泡諧振腔內部氣壓增加6 bar (1 bar = 105Pa)，可觀察到超過300 GHz頻率漂移[51]。為提升傳感靈敏度，使用Q值為107量級且壁厚僅500 nm的微泡諧振腔，在780 nm波段最高可實現38 GHz/bar的傳感靈敏度[40]。為充分利用全光譜信息，提升壓強傳感精度，如圖5(a)所示的基于機器學習的光譜遍歷法被提出，在0 ～ 100 kPa壓強范圍內可實現任意未知壓強的讀出且預測精度高達99.51%[52]。

圖5 微瓶諧振腔壓強、超聲傳感：(a)基于機器學習的壓強傳感[52]；(b)基于數字光頻梳的超聲傳感[43]

微瓶諧振腔通過彈光效應或物理形變可直接探測外界超聲波。使用微瓶諧振腔可實現對空氣中超聲波的非接觸探測[53]，在800 kHz頻率下噪聲等效壓力低至41 mPa/(Hz)1/2。為降低噪聲等效壓力，可將微瓶諧振腔與數字光頻梳技術結合，如圖5(b)所示。實驗所得的噪聲等效壓力僅為4.4 mPa/Hz1/2，并且檢測系統具有飛秒量級分辨力和亞微秒量級響應時間[43]。通過低折射率聚合物對微腔系統封裝可實現水下超聲波探測，而且聚合物的采用可提升傳感靈敏度[54]。在10 Hz ～ 100 kHz頻率范圍內，其聲壓靈敏度為-159.3 dB re 1V/μPa @1 kHz，噪聲等效壓力低至2.2 mPa/Hz1/2。

3.3 生化傳感

無標記的生化傳感器在小分子檢測和早期疾病診斷中至關重要[55]。得益于微瓶諧振腔天然的微流通道，通過在其內表面預先修飾功能基團，可實現對特定生化分子的探測。其原理為分子特異性結合將導致微腔內部環境折射率發生變化。通過在微瓶諧振腔內表面修飾環氧基團，可實現對牛血清蛋白分子的檢測[56]，而且結合自參考差分模式檢測方案可將檢測極限降低至0.15 fmol/L[42]。對于生物素的檢測，可通過在微瓶諧振腔內部修飾鏈霉親和素實現[57-58]。如圖6(a)所示，采用雙腔構成外參考傳感方案可減小噪聲，降低檢測極限，可將對牛血清蛋白分子和生物素的檢測極限分別降至15 amol/L和4.1 fmol/L[36]。傳統對生化分子的檢測依賴分子特異性結合導致的折射率變化，但通常變化量級較小，因此研究人員提出使用液晶來實現超高靈敏度的生化傳感[59]，如圖6(b)所示。其原理為不同濃度的生物溶液將改變液晶的排列方向，導致液晶折射率發生變化，而且變化量級遠大于分子特異性結合導致的折射率變化。在微瓶諧振腔內表面修飾目標DNA，通過堿基互補配對原理，可實現對不同濃度、不同序列DNA的高效檢測，且檢測極限低至0.64 pmol/L[60]。此外，在微瓶諧振腔內表面修飾金納米棒并結合等離激元增強的端面WGM，可實現對分子質量為8 kDa (1 Da = 1 u)的單DNA檢測[61]，如圖6(c)所示。但上述結構只能實現對單生物分子的檢測，若在同根毛細管上制備多個微泡諧振腔并對其分別進行選擇性修飾，有望實現多分子同時測量[62]。此外，對微泡諧振腔內部修飾GR-5脫氧核酶可實現0.1 ～ 100 pmol/L的鉛離子檢測[63]。在微瓶諧振腔內部填充液態金屬水銀，利用水銀能夠溶解銀、銅和有機物的特性，有望用于金屬識別[47]。

圖6 微瓶諧振腔生化傳感：(a)生物素檢測[36]；(b) BSA檢測[59]；(c)單DNA檢測[61]

3.4 氣體傳感

微瓶諧振腔中空通道可與氣體結合，是實現氣體檢測和識別的重要平臺。待測氣體與WGM倏逝場相互作用會導致接收端信號變化，如甲烷氣體吸附在微瓶諧振腔內表面會導致本征損耗的增加，因而WGM信號強度發生改變[38]。如圖7(a)，通過在微瓶諧振腔內表面沉積一層3 ～ 5 nm的石墨烯，可實現靈敏度為200 kHz/ppm (1 ppm = 10-6)、檢測極限低至1 ppb (1 ppb= 10-9)的氨氣濃度檢測[64]。利用聚亞己基雙胍對二氧化碳氣體敏感的特性，可實現對二氧化碳氣體濃度的檢測，在200 ～ 700 ppm濃度范圍內可實現0.46 pm/ppm的傳感靈敏度和50 ppm的檢測極限[65]。同樣，利用PDMS對酒精氣體敏感的特性，可實現對酒精氣體濃度的檢測，在4.19 ～ 272.35 ppm濃度范圍內，靈敏度最高可達36.24 pm/ppm[26]。微瓶諧振腔同樣可用于氣體種類的識別，微腔內部流動的氣體將改變微腔尺寸，造成諧振波長變化，同時通過熱耗散改變其線寬。由于不同氣體的導熱系數不同，結合模式漂移和模式展寬，可實現對氦氣(He)、氮氣(N2)和二氧化碳的識別[66]，如圖7(b)所示。

圖7 微瓶諧振腔氣體傳感：(a)氨氣檢測[64]；(b)氦氣、氮氣和二氧化碳識別[66]

3.5 磁場傳感

磁場傳感在精密導航、醫學診斷等領域具有重要意義。結合磁性材料，微瓶諧振腔可實現高靈敏度磁場傳感。將磁致伸縮材料固定在微瓶諧振腔兩端，隨著外界磁場強度增加，微瓶諧振腔幾何尺寸和折射率隨著磁材料伸縮而變化，諧振波長發生漂移，在0.14 ～ 21.8 mT磁場范圍內，靈敏度為0.081 pm/mT[67]。此外，磁流體與微瓶諧振腔的結合是實現磁場傳感的重要方式[68-69]。隨著外界磁場強度變化，磁流體折射率將發生變化，因此諧振波長漂移。在磁場傳感中，通過優化器件結構和模式光場分布，可實現靈敏度為84.5 pm/mT的磁場強度傳感[70]，如圖8(a)所示。除了磁場強度，磁場方向同樣影響磁流體折射率[71]。當磁場方向垂直于微腔時，隨著磁場強度增加，磁流體折射率增加，諧振波長紅移；當磁場方向平行于微腔時，隨著磁場強度增加，磁流體折射率減小，諧振波長藍移。通過對磁流體填充的微瓶諧振腔施加不同方向和大小的磁場，在垂直和平行磁場下可實現98.23 pm/mT和-304.80 pm/mT的傳感靈敏度[72]。

圖8 微瓶諧振腔磁場傳感：(a)基于磁流體的磁場大小傳感[70]；(b)基于磁流體的磁場大小及方向傳感[72]

3.6 液體屬性傳感

滲透到微瓶諧振腔內部的倏逝場可用于精確感知內部液體屬性變化，并將其反應在諧振波長變化上。當微腔內部液體折射率增加時，由于光程的增加，諧振波長將會紅移[73]。準液滴微泡腔具有超薄壁厚且模式能量分布在液體芯內，其用作折射率傳感器靈敏度最高可達570 nm/RIU，檢測極限低至3.8×10-8RIU[57]。此外，準液滴微腔可用于流動液體中的納米顆粒檢測。當顆粒流經倏逝場區域時，會導致模式漂移且線寬展寬。如圖9(a)所示，使用Q值為107量級且壁厚僅為780 nm的準液滴微泡諧振腔，可實現對直徑低至100 nm顆粒的檢測，觀察到的頻率漂移和線寬展寬量分別超過400 MHz和100 MHz[74]。理論表明，當微腔Q值超過108量級時，最低可檢測到半徑為20 nm的顆粒[57]。

圖9 微瓶諧振腔流體相關傳感：(a)納米顆粒檢測[74]；(b)液滴質量傳感及種類識別[77]；(c)倏逝場加熱毛細管中液體以永久改變微腔材料性質[80]

結合液體伯努利效應，微瓶諧振腔可用于對內部流體流速的檢測。當微腔內部流速增加時，其壓強減小，因此諧振波長將因微腔尺寸減小而藍移。通過注射泵控制內部液體速度，在10 ～200 μL/min的量程范圍內，得到0.019 6 pm/(μL/min)的傳感靈敏度[75]。為提升傳感靈敏度，使用小直徑光纖錐激發高階徑向WGM可將靈敏度提升至0.079 pm/(μL/min)[76]。當液體從微腔端面流出時，由于液體表面張力的存在，其將沿著微腔莖形成懸垂液滴。隨著液滴質量增加，微腔將與光纖錐接觸并產生擠壓形變，因此諧振波長發生變化。如圖9(b)所示，通過觀察諧振波長和信號強度變化可實現液滴質量監測和液體種類識別[77]。

上述液體傳感多為“局域”傳感，即僅能檢測光纖錐與微瓶諧振腔耦合處的液體屬性變化，使用SNAP微瓶諧振腔可打破這一局限。相比傳統微瓶諧振腔，SNAP微瓶諧振腔在軸向上的半徑變化僅為納米量級，其沿著軸向具有的均勻本征模場分布可提升“非局域”傳感能力[78-79]。然而，制備超薄壁厚的SNAP微瓶諧振腔的工藝要求較高，其中通過光纖錐倏逝場對內部填充液體的毛細管加熱是一種可行方案[80]，如圖9(c)所示。SNAP微瓶諧振腔可用于感知液體折射率[81]、監測液滴蒸發[82]、操控微流體，以及監測微腔界面與微流體的動力學特性等[23,80]。

3.7 水凝膠相位傳感

微瓶諧振腔可用于監測分子擴散與聚合等動態反應過程，其中水凝膠作為一種在生物制藥領域具有廣泛應用的生物材料，理解與測試其凝膠動力學對分析水凝膠的結構性能至關重要。通過分析WGM諧振波長漂移情況，可揭示前驅體溶液中單體濃度和交聯劑濃度對凝膠過程中折射率的影響[83]。此外，外界激光輻射或溫控裝置對填充水凝膠的微腔加熱時，水凝膠相位將由親水態向疏水態轉換，其折射率和吸收損耗增加。如圖10(a)所示，通過同時監測WGM諧振波長和線寬變化，可實現對水凝膠相位轉換的監測[33,84-85]。但在該過程中，產生的波長漂移由微腔熱光效應和水凝膠相位轉換產生的折射率變化共同導致，二者無法直接從光譜區分。如圖10(b)所示，研究人員可通過引入雙WGM構成自參考方案解決該問題。他們通過同時分析傳感模式和參考模式的波長漂移量，可解調出水凝膠相變過程中溫度和折射率的變化，并提取出相位轉換閾值[85]。

圖10 水凝膠相位傳感：(a)水凝膠相位轉換監測[33]；(b)自參考方案用于解調相變過程中溫度和折射率的變化[85]

4 總結與展望

本文簡述了WGM微瓶諧振腔的發展歷程與傳感機理，介紹了微瓶諧振腔的結構模型和制備工藝，并詳細敘述了微瓶諧振腔在溫度、壓強及超聲波、生化分子、氣體檢測、磁場檢測、液體屬性監測、水凝膠相位監測等領域的應用。WGM微瓶諧振腔憑借其優異的光學特性和天然的中空通道，在微流控領域具有廣闊的應用前景。但受其耦合結構的限制，目前大多還處于實驗室研究階段，因此后續研究需努力提升器件的集成性和穩定性，使其走出實驗室，走向產業化。另外，在生化傳感應用中，目前雖已實現超低的檢測極限，但僅能對單種生物分子進行檢測，因此后續可探索基于WGM微瓶諧振腔多生物分子同時探測的可行性[62]。最后，需提出更多能同時利用WGM全光譜信息的數據處理和分析方法，提升傳感精度，擴大傳感量程，實現傳感量絕對值的直接讀出。近兩年提出的條形碼技術[49]和機器學習算法[52]是潛在的解決方案。未來期待微瓶諧振腔在傳感性能和多功能集成等方面不斷拓展和創新，為更多領域帶來更高效、更可靠的傳感方案。