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光学微环谐振器传感器-超高Q值传感技术.docx
资料介绍
光学微环谐振器传感器：超高Q值传感技术
一、引言
光学微环谐振器通过光在环形波导中的循环共振，实现对周围环境折射率变化的高灵敏度检测。微环谐振器的品质因子直接决定传感器的灵敏度和检测极限。2026年，微环谐振器技术在材料和结构设计上取得了突破性进展，南京大学徐飞团队实现了全光纤微环谐振器创纪录的3.9×10⁷ Q值，较传统水平提升近3个数量级。宁波大学联合团队制备的Ta₂O₅微环谐振器加载Q值达5.2×10⁵，检测极限低至1.78×10⁻⁵ RIU，标志着微环谐振器传感器正从实验室走向实际应用。
二、微环谐振器的工作原理
微环谐振器由一根直波导和一个环形波导组成。当直波导中传输的光耦合进入环形波导时，满足微环周长是光波长的整数倍这一谐振条件的光波长发生谐振增强，在输出端光谱中形成周期性的谐振峰。当周围环境折射率发生变化时，谐振条件随之改变，导致谐振峰波长位置发生移动，通过检测波长偏移量实现定量分析。
谐振条件为mλ = 2πR·neff，其中m为谐振级次，R为微环半径，neff为波导有效折射率。自由光谱范围描述了相邻谐振峰之间的波长间距，FSR = λ²/(2πR·ng)。品质因子Q = λ/Δλ描述谐振峰的尖锐程度，Q值越高，传感分辨率越高。
三、材料平台与Q值突破
硅基微环具有高折射率对比度和CMOS兼容性，但受双光子吸收和自由载流子吸收限制，Q值通常保持在10⁶左右。氮化硅微环具有低传播损耗和宽透明窗口，Q值可达10⁶-10⁷。Ta₂O₅微环折射率适中（n₀=2.05），热光系数仅为硅的1/20，有效抑制温度漂移，Q值达5.2×10⁵。
全光纤微环利用微光纤缠绕成结形谐振器，兼具全光纤兼容和柔性封装的优势。南京大学团队通过系统优化微光纤力学性能与结区耦合调控，实现了创纪录的3.9×10⁷ Q值，较传统水平提升近3个数量级。
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