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前沿进展 | 1/f噪声抑制的片上光学传感

两万人都 爱光学 2022-05-13
收录于合集 #前沿进展 125个

“中国光学十大进展”候选栏目正式更名为“前沿进展”，全新的命名，全新的开始，欢迎广大专家学者投稿。

1 导读
北京大学纳光电子前沿科学中心王兴军课题组和肖云峰、龚旗煌课题组在微纳传感领域的联合研究取得重要进展：利用光学暗场外差干涉仪和频率变换相结合的传感新方法，将实时信号采样噪声降低了两个数量级，并成功实现了聚苯乙烯纳米微粒和单个病毒颗粒的高灵敏度检测（图1）。研究成果以“1/f-noise-free optical sensing with an integrated heterodyne interferometer”为题于3月30日发表在Nature Communications上。

图1  基于片上波导暗场外差干涉仪的单颗粒检测

2021 | 前沿进展

2 研究背景
纳米尺度颗粒检测在疾病的早期诊断、环境监测、易爆物品探测以及半导体制造工艺流程控制等方面具有十分重要的意义。例如在疾病的早期诊断方面，通常感染性病毒（COVID-19，HIV，SARS-CoV，EBOV）的尺寸在1纳米到800纳米之间，快速可靠的病毒检测可以为治疗赢得宝贵时间。近年来，光学倏逝场传感器因具有超高灵敏度和非标记等独特优势，在精密测量、环境安全、生命健康等多领域应用中发挥着重要作用。在传感过程中，电学噪声广泛分布在光电信号的不同频率处。当电荷流过导体或者电阻时，将会产生强度随频率成反比变化的1 / f噪声。然而，低频1 / f噪声与传感信号特征频率区间重叠会导致很多重要生化过程（例如抗原-抗体反应、细胞运动和脱氧核糖核酸杂交等）的动态监测难以实现。
3 研究创新点1基于1/f噪声抑制的光学传感机制
联合课题组提出一种通过光学暗场外差干涉仪与频率变换相结合的传感新方法，可对1/f噪声进行高效抑制（图2a-b）。实验上，研究人员构造频率差为定值的本振光和探针光，采用暗场散射的方式将带有粒子信息的探针光在波导中与本振光干涉形成射频包络，并对包络信号进行实时采样和降噪提取，将采样噪声幅度成功压制了两个数量级（图2c-d）。
图2 （a-b）1 / f噪声抑制机制；（c）采样噪声幅度随偏置频率增加而下降；（d）不同偏置频率下的实时信号
3 研究创新点2
纳米粒子及病毒传感
联合课题组将这种基于1/f噪声抑制的光学传感方法，运用在以CMOS兼容的工艺制备的暗场外差波导干涉结构中，实现了对纳米尺度单颗粒的超高灵敏度检测（图1）。利用该结构，成功实现了对半径为30 nm的单个聚苯乙烯颗粒（信噪比超过14 dB）和HIV-1病毒样颗粒（SNR～20 dB）的高灵敏检出（图3a-b）。并且通过对传感信号的统计和分析，检测极限有望进一步提升，并可实现对纳米颗粒尺寸的精确测量（图3c）。
 图3 传感器对纳米粒子检测得到的实时信号 （a）半径30 nm聚苯乙烯微球；（b）HIV-1病毒样颗粒；（c）传感器探测极限估计与尺寸测量
3 研究创新点3集成波导阵列传感联合课题组基于CMOS工艺灵活度高、重复性强的优势，还提出了集成波导阵列的优化方案。通过采用单通道探针波导阵列化的方案，检测速度实现了约3倍的提升（图4a）。同时，基于多通道并行探针波导的方案，结合频率变换，有望实现对多种病毒或分子进行复合型检测（图4b）。

图4 集成波导阵列实现 （a）高速传感；（b）复合型传感

4 总结本工作通过光学暗场外差干涉仪与频率变换相结合的传感新方法，在集成光学芯片中，将光电传感系统中的采样噪声降低了两个数量级，实现了聚苯乙烯纳米微粒和单个病毒颗粒的高灵敏度检测。此外，借助片上集成CMOS工艺优势，该工作提供了一种低成本、高效的纳米尺度颗粒动态监测平台，有望广泛用于精密测量、环境安全和生命健康等领域。北京大学信息科学技术学院博士生金明和物理学院博雅博士后唐水晶是论文的共同第一作者，肖云峰教授和王兴军教授为共同通讯作者。论文的主要合作者包括北京大学工学院陈匡时研究员。论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41467-021-22271-4


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