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中国半导体十大研究进展候选推荐（2021-018）——1/f噪声抑制的光学外差干涉传感芯片

已有 1734 次阅读 2021-8-30 15:45 |系统分类:论文交流

工作简介

——1/f 噪声抑制的光学外差干涉传感芯片

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（COVID19，HIV，SARS-CoV，EBOV）的尺寸在1 nm到800 nm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，正是由于低频1/f 噪声主要存在的区域与待测信号特征频率区间重叠，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。

图1. 基于片上波导暗场外差干涉仪的病毒检测。

图2. (a) 1/f 噪声抑制机制；(b) 采样噪声幅度随偏置频率增加而下降；(c)不同偏置频率下的实时信号。

针对上述问题，北京大学纳光电子前沿科学中心，信息科学技术学院电子学系王兴军课题组和物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室肖云峰、龚旗煌课题组合作，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2(a)），并通过CMOS兼容的暗场外差波导干涉结构实现了纳米尺度单颗粒的超高灵敏度检测（图1）。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，达到了采样噪声幅度被抑制两个数量级的效果（图2）。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3）。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3）。与此同时，研究人员还提出集成波导阵列的方案，大幅度提升检测速度，并有望实现对多种病毒或分子进行复合型检测（图4）。

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。

图4. 集成波导阵列实现（a）高速传感；（b）复合型传感。

此项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。

相关研究成果于2021年3月31日以《1/f 噪声抑制的光学外差干涉传感芯片》（1/f-noise-free optical sensing with an integrated heterodyne interferometer）为题发表在《自然·通讯》（Nat. Commun.）上。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。研究工作得到了科技部重点研发计划和国家自然科学基金委等的支持。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-22271-4

作者简介

通讯作者

王兴军，北京大学教授，电子学系副主任，区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室副主任，信息与通信研究所副所长，入选教育部新世纪优秀人才(2013年)，国务院学科评议组成员。

长期致力于高速硅基光电子集成器件与系统应用、硅基稀土发光材料与器件研究。近五年作为负责人主持国家自然科学基金重点项目、863重大项目、北京市重点研发计划等十余项课题。在Nature Communications、Advanced Materials.、Photonics Research、ACS Photonics等期刊发表论文120余篇。先后获得中国光学工程学会科技创新奖三等奖，北京市科学技术奖自然科学二等奖等。

通讯作者

肖云峰，北京大学博雅特聘教授。

于2002年和2007年在中国科学技术大学物理系分别获得物理学士和博士学位；随后赴美国圣路易斯华盛顿大学从事博士后研究；2009年回到北京大学物理学院工作，历任长聘副教授、教授。主要从事超高品质因子光学微腔的实验和理论研究。近年来，以主要作者在Science、Nature Photonics、Nature Communications、PNAS和Physical Review Letters等国际重要杂志发表研究论文170余篇，他引5000余次，h因子52。研究成果两次入选“中国高校十大科技进展”（2014、2017），1次入选由美国光学学会评选的“年度国际光学重大进展”（2018），4次入选“中国光学十大进展”（2010、2016、2017、2019）。获第八届饶毓泰基础光学奖（2013）、王大珩光学奖（2017）、教育部青年科学奖（2018）、饶毓泰物理奖（2018-2019）、陈嘉庚青年科学奖（2020）和中国青年科技奖（2020）；被选为美国光学学会会士（2019）。

第一作者

金明，北京大学信息科学技术学院博士研究生。

于2017年获华中科技大学光学与电子信息学院工学学士学位，目前于北京大学攻读博士学位中，主要从事硅基集成芯片研究，面向高速通信、微纳传感等应用。相关工作以论文第一作者身份发表在Nature Communications等国际重要杂志上。

第一作者

唐水晶，北京大学博雅博士后。

于2020年在北京大学物理学院获得理学博士。博士期间，在美国哈佛大学医学院生物光子学研究组开展细胞激光研究1年。目前，在北京大学物理学院从事博士后研究。主要从事微纳光学传感检测的实验和理论研究，相关工作以论文第一（共同第一）作者身份发表在Nature Communications(1篇)、Light: Science & Applications(1篇)、Advanced Materials(2篇)等国际重要杂志上。