据中国激光杂志社网，于2023年07月07日报道， 高性能硫系片上微腔传感器阵列器件。
01 导读
近日，中山大学李朝晖、沈乐成教授团队基于硫系材料微纳加工平台、制备出高性能的片上微腔传感器阵列芯片，其包含了15个光学微腔传感器，可覆盖175 MHz超声信号带宽，噪声等效压力低至2.2 mPaHz-1/2。
该团队进一步利用数字光频梳技术研发了可适用于光学传感器阵列的高效并行检测方案，在仅使用单个单频光源和单个集成探测器的情况下实现15个阵列微环光-声多物理场信号的同步、并行解调（图1），有效解决了当前片上光学传感器无法实现复用、或者复用的结构和成本高昂的瓶颈问题。
相关研究成果以“Parallel interrogation of the chalcogenide-based micro-ring sensor array for photoacoustic tomography”为题发表在Nature Communications上。
02 研究背景
生物医学成像是生命科学中探索人类、动物行为和识别之谜的有效工具。在各种生物医学成像模式中，光声断层扫描成像是一种结合了光学激发和超声检测的混合成像方式。这种结合克服了超声成像对比度低和光学成像深度浅的缺点，使得光声成像成为生物活体深层高分辨率结构和功能成像的有效工具。
目前，光声成像已经在许多临床应用中取得巨大成功。然而，受限于目前光声成像系统中商用的压电超声传感器阵列的有限接收角度、灵敏度和频率带宽，重建图像的质量并不令人满意。同时，每个传感器都需要配备一个单独的解调模块，从而使光声成像系统较为复杂。
为了克服以上挑战，具有小尺寸、大接收角、高灵敏度和宽频率带宽的光学超声传感器正逐渐成为一种有效的替代品。然而受目前加工工艺、解调技术以及解调设备的影响，基于片上光学超声传感器阵列及其应用的报道较少，学术界也尚未提出与之相匹配的高效解调方案。
03 研究创新点
综合以上现状，该研究团队基于硫系材料微纳加工平台，制备了具有高品质因素的光学微腔阵列，如图2所示。由于光学微腔的谐振波长会随着入射声波的强度而改变，因此能够通过追踪谐振峰的漂移程度来反应超声波的实时强度。
实验中演示的微腔阵列包含15个性能接近的光学微腔（均与光学波导相耦合），原则上能够在15个不同的位置对于入射声波进行同步监测。为了减少各监测通道的信号串扰，该研究团队通过进一步调谐各个光学微腔的结构与参数，使得每个微腔的共振峰在光谱上被等间距均匀地隔开。
为了实现传感器阵列所接收到光声信号的并行解调，该团队提出了一种基于数字光频梳技术的光谱信号解调方案，如图3所示。与光学频率梳相比，数字光学频率梳具有窄梳齿、可调谐等独特优势，同时具有能够完美契合微腔传感器谐振峰的窄线宽、易漂移等特点。
通过进行光学相干检测，该团队在仅使用一个单频激光器和一个集成光电探测器的情况下实现了对15个微环传感器接收到的光声信号的同步检测与解调，有效降低了系统的解调复杂度、提升了信号的检测效率。
基于传感器阵列和数字光频梳解调技术，团队的研究人员成功对高速动态粒子、静态叶脉、以及活体斑马鱼等目标进行了高分辨率光声成像，为光声成像技术的各类应用开展提供了一种有效工具。
04 总结与展望
该团队认为，通过结合高性能微环传感器阵列的研制和数字光频梳技术的研发，孕育出了基于片上超声光学传感器阵列的紧凑型光声成像系统，为临床应用提供了广阔的前景。目前，这项研究仍在持续推进，阵列中的传感器数量与检测灵敏度将不断提升和优化。他们相信，这项技术有望快速转化至临床医学应用中。
该研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、南方海洋科学与工程广东实验室（珠海）等项目的资助。
