用于光学应用的微环传感器

微环谐振器与带有部分反射光的端镜的波导耦合，从而提高了灵敏度。调整微环传感器的设计可以在不增加实现复杂性的情况下提高其灵敏度。光学传感是光科学最重要的应用之一。它在天文学、环境科学、工业和医学诊断中起着至关重要的作用。

尽管用于光学传感的方案多种多样，但它们都有相同的原理：要测量的数量必须在系统的光学响应上留下“光谱”。指纹可以是它的透射、反射或吸收。这些效应越强，系统的响应就越强。

虽然这在宏观层面上很有效，但是测量引起弱响应的微小的微观量是一项具有挑战性的任务。研究人员已经开发出技术来克服这一困难，提高设备的灵敏度。其中一些技术依赖于复杂的量子光学概念和实现，事实证明是有用的，例如在激光干涉引力波天文台项目（LIGO）中感应引力波。另一些基于将光捕获在称为光学谐振器的小盒子中的技术，已经成功地探测到了微粒子和相对较大的生物成分。

然而，检测小纳米颗粒和最终单个分子的能力仍然是一个挑战。目前的尝试集中在一种特殊类型的光捕获装置上，这种装置被称为微环或微环面谐振器，它们增强了光与被检测分子之间的相互作用。然而，这些装置的灵敏度受到基础物理的限制。

密西根理工大学、宾夕法尼亚州立大学和中佛罗里达大学的物理学家和工程师在他们发表在《物理评论快报Physical Review Letters》上的文章“用特殊表面感知以将灵敏度与鲁棒性结合起来”中提出了一种新型传感器。它们基于异常曲面的新概念：由异常点组成的曲面。

一种特殊的表面型传感器

异常点用于超敏感的检测

为了理解特殊点的含义，考虑一把只有两条弦的假想小提琴。一般来说，这样的小提琴只能产生两种不同的音调——一种对应于传统光学谐振器的情况。如果一根弦的振动能改变另一根弦的振动，使声音和弹性振动只产生一个音调和一个集体弦运动，那么系统就有一个例外点。

一个表现出特殊点的物理系统是非常脆弱的。换句话说，任何微小的扰动都会显著地改变它的行为。该特性使系统对微小信号高度敏感。

物理副教授Ramy El Ganainy说：“尽管有这一潜在特性，但特殊的点基传感器同样提高了灵敏度，这也是它们的致命弱点：这些设备对不可避免的制造误差和不希望出现的环境变化非常敏感。”他还补充说，此外，在之前的实验演示中，灵敏度需要巧妙的调优技巧。

“我们目前的建议通过引入一个新的系统来缓解这些问题，该系统具有与之前工作中报告的相同的增强灵敏度，同时对大多数不可克服的实验不确定性具有强大的抵抗力，”论文的主要作者、目前正在努力研究他的研究生Qi Zhong说，他目前正在攻读密歇根理工大学博士学位。

尽管微环传感器的设计仍在不断改进，但研究人员希望通过改进这些设备，看似微小的光学观测将产生巨大的影响。

原文来源：https://phys.org/news/2019-05-microring-sensors-optical-applications.html