得益于創新的微型光學傳感器，納米級傳感應用的新型集成器件“片上納米計量實驗室”成為可能。

據麥姆斯咨詢報道，荷蘭埃因霍溫理工大學（Eindhoven University of Technology）的研究人員開發出了一種微型集成光學傳感器，能夠提供更高的分辨率，使超緊湊光學器件成為可能，包括用于“片上實驗室（lab-on-chip）”平臺的激光器和探測器。該研究成果已發表于Nature Communications。

“基于光機械系統的光學讀出傳感器在傳感領域已經很常見，例如原子力顯微鏡（atomic force microscope， AFM）。”埃因霍溫理工大學的開發人員說，“原子力顯微鏡將一個對微弱力極敏感的微懸臂一端固定，另一端有一微小的針尖，針尖與樣品表面輕輕接觸。帶有針尖的微懸臂將對應于針尖與樣品表面原子間作用力的等位面，而在垂直于樣品的表面方向起伏運動。然后，利用激光束聚焦在微懸臂背面，通過測量懸臂在感興趣表面上反射偏轉的激光束變化，可以獲得亞納米分辨率的圖像。”

憑借緊湊的光學傳感器，“片上納米計量實驗室”觸手可及

然而，原子力顯微鏡等傳統基于激光的方案往往體積龐大，加上對低成本和高分辨率的要求，推動了替代方案的開發。

得益于納米光機械系統的發展，現在已經可以利用緊湊型光學傳感器來測量納米尺度的運動、力和質量。不過，其中存在的一個限制因素是需要具有窄線寬的可調諧激光器，這類器件的集成還存在挑戰。

為了解決這個問題，埃因霍溫理工大學光子集成研究所的Tianran Liu、Andrea Fiore和同事們設計了一種新的光機械器件，其分辨率可達45飛米（45 x 10?1?米），測量時間僅為幾分之一秒。開發人員補充道：“關鍵是，該器件具有80納米的超寬光學帶寬，從而消除了對可調諧激光器的要求。”

四個波導和大波長范圍

在該傳感器結構的設計中，來自一個輸入波導的光激發對稱和反對稱超模態的疊加，在定向耦合器中經過一個拍長后，在“交叉”輸出端口處產生相長干涉。一個懸置波導的位移，改變了超模態的傳播常數，產生相消干涉，從而增加了另一個波導的傳輸。作者解釋稱，兩個輸出波導的相對傳輸的變化是垂直和水平倏逝波耦合（evanescent coupling）共同作用的結果。

驅動懸置波導位移前（上）、后（下）通過定向耦合器的光

該研究中理想器件在懸置波導位移前、后（55納米）的模擬電場分布（|E|）

這款傳感器基于磷化銦（InP）硅上薄膜（membrane-on-silicon）平臺，可用于激光器或探測器等無源器件。傳感器本身由四個波導組成，兩個波導懸置在兩個輸出波導上方。

器件堆棧的剖面示意圖

當懸置波導被推向InP膜上的輸出波導時，輸出波導上的相對信號量會發生變化。其制造通過一系列光刻步驟來定義波導和懸臂，最終的傳感器由傳感器、執行器和光電二極管組成。

這款傳感器的一個重要優點是可以在很寬的波長范圍內工作，從而消除了對器件上昂貴激光器的要求。在懸臂梁撓度方面，該傳感器還復制了傳統原子力顯微鏡懸臂梁的分辨率。研究人員計劃以這款新器件為基礎，在可移動波導的頂部構建一個尖端，在一顆集成芯片上開發完整的“納米計量實驗室”，用于半導體計量測試，為下一代微芯片和納米電子設計提供幫助。
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