得益于創(chuàng)新的微型光學(xué)傳感器，納米級(jí)傳感應(yīng)用的新型集成器件“片上納米計(jì)量實(shí)驗(yàn)室”成為可能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)（Eindhoven University of Technology）的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種微型集成光學(xué)傳感器，能夠提供更高的分辨率，使超緊湊光學(xué)器件成為可能，包括用于“片上實(shí)驗(yàn)室（lab-on-chip）”平臺(tái)的激光器和探測(cè)器。該研究成果已發(fā)表于Nature Communications。

“基于光機(jī)械系統(tǒng)的光學(xué)讀出傳感器在傳感領(lǐng)域已經(jīng)很常見(jiàn)，例如原子力顯微鏡（atomic force microscope， AFM）。”埃因霍溫理工大學(xué)的開(kāi)發(fā)人員說(shuō)，“原子力顯微鏡將一個(gè)對(duì)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(duì)應(yīng)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(yùn)動(dòng)。然后，利用激光束聚焦在微懸臂背面，通過(guò)測(cè)量懸臂在感興趣表面上反射偏轉(zhuǎn)的激光束變化，可以獲得亞納米分辨率的圖像?！?/p>

憑借緊湊的光學(xué)傳感器，“片上納米計(jì)量實(shí)驗(yàn)室”觸手可及

然而，原子力顯微鏡等傳統(tǒng)基于激光的方案往往體積龐大，加上對(duì)低成本和高分辨率的要求，推動(dòng)了替代方案的開(kāi)發(fā)。

得益于納米光機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)可以利用緊湊型光學(xué)傳感器來(lái)測(cè)量納米尺度的運(yùn)動(dòng)、力和質(zhì)量。不過(guò)，其中存在的一個(gè)限制因素是需要具有窄線寬的可調(diào)諧激光器，這類器件的集成還存在挑戰(zhàn)。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，埃因霍溫理工大學(xué)光子集成研究所的Tianran Liu、Andrea Fiore和同事們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的光機(jī)械器件，其分辨率可達(dá)45飛米（45 x 10?1?米），測(cè)量時(shí)間僅為幾分之一秒。開(kāi)發(fā)人員補(bǔ)充道：“關(guān)鍵是，該器件具有80納米的超寬光學(xué)帶寬，從而消除了對(duì)可調(diào)諧激光器的要求?！?/p>

四個(gè)波導(dǎo)和大波長(zhǎng)范圍

在該傳感器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，來(lái)自一個(gè)輸入波導(dǎo)的光激發(fā)對(duì)稱和反對(duì)稱超模態(tài)的疊加，在定向耦合器中經(jīng)過(guò)一個(gè)拍長(zhǎng)后，在“交叉”輸出端口處產(chǎn)生相長(zhǎng)干涉。一個(gè)懸置波導(dǎo)的位移，改變了超模態(tài)的傳播常數(shù)，產(chǎn)生相消干涉，從而增加了另一個(gè)波導(dǎo)的傳輸。作者解釋稱，兩個(gè)輸出波導(dǎo)的相對(duì)傳輸?shù)淖兓谴怪焙退劫渴挪?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/耦合/" target="_blank">耦合（evanescent coupling）共同作用的結(jié)果。

驅(qū)動(dòng)懸置波導(dǎo)位移前（上）、后（下）通過(guò)定向耦合器的光

該研究中理想器件在懸置波導(dǎo)位移前、后（55納米）的模擬電場(chǎng)分布（|E|）

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

器件堆棧的剖面示意圖

當(dāng)懸置波導(dǎo)被推向InP膜上的輸出波導(dǎo)時(shí)，輸出波導(dǎo)上的相對(duì)信號(hào)量會(huì)發(fā)生變化。其制造通過(guò)一系列光刻步驟來(lái)定義波導(dǎo)和懸臂，最終的傳感器由傳感器、執(zhí)行器和光電二極管組成。

這款傳感器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作，從而消除了對(duì)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(fù)制了傳統(tǒng)原子力顯微鏡懸臂梁的分辨率。研究人員計(jì)劃以這款新器件為基礎(chǔ)，在可移動(dòng)波導(dǎo)的頂部構(gòu)建一個(gè)尖端，在一顆集成芯片上開(kāi)發(fā)完整的“納米計(jì)量實(shí)驗(yàn)室”，用于半導(dǎo)體計(jì)量測(cè)試，為下一代微芯片和納米電子設(shè)計(jì)提供幫助。
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