摘要：传统干涉仪（如马赫-曾德尔型、迈克尔逊型）虽然传感精度高，但依赖空间光路结构，体积庞大，实际应用受限。能否将它们缩小成芯片大小？关键在于解决一个问题：如何让光在芯片上传播？

硅光子波导：光在芯片上的传输

传统干涉仪（如马赫-曾德尔型、迈克尔逊型）虽然传感精度高，但依赖空间光路结构，体积庞大，实际应用受限。能否将它们缩小成芯片大小？关键在于解决一个问题：如何让光在芯片上传播？

就像水在水管中流动、燃气通过管道输送一样，光在光纤中也有“专属通道”——它通过全反射的方式被“关在”光纤内部，实现高效传播。这一原理同样适用于芯片中的光传输，硅光芯片通过刻蚀形成脊形或条形波导，形成所谓的光波导。利用硅的高折射率特性（比包层材料更高），就像是“墙壁”更光滑、反弹更强的通道，就能实现光信号的高效传输。只要精确设计波导尺寸，如图所示，光就能被牢牢"锁"在波导结构中传输。

芯片级干涉仪设计与原理

在硅芯片刻出光波导后，便可以通过集成芯片上的分束器、反射器等结构，构建芯片级干涉仪。当干涉臂的环境发生变化时，例如气体或液体引起的折射率变化，或温度引起的变化，会改变光程，最终影响干涉光的光强，将环境微小的变化反映到光强变化上。

新型结构：提升传感性能

除了传统的干涉仪结构，新型设计如微环谐振腔和光子晶体显著提升了芯片级干涉仪的性能：

微环谐振腔：通过将光耦合进入环形结构，光如同在跑道上反复转圈。这种设计的巧妙之处在于，光反复经过同一段路程，不仅多次"感受"环境变化提高了灵敏度，同时，由于光在腔内反复利用，所需的波导长度大大缩短，使器件整体尺寸更小，便于集成到各类光子芯片中。

光子晶体：是一种具有周期性结构的材料，可类比为一段崎岖不平的道路。当光经过这段道路时，速度减慢，形成所谓的“慢光”效应。由于光在材料中停留时间更长，使传感器有更多时间"感知"环境变化，提高灵敏度。此外，光子晶体传感器体积小巧，在生物检测、环境监测中更具优势。

对于硅芯片传感器，在测量温度时，其精度可以达到毫开尔文（mK，即千分之一开尔文温度）量级甚至更高，能精准捕捉细微的温度波动。对于生化传感应用，它能探测到极其微弱的折射率变化，精度通常优于10⁻⁵RIU（RIU，Refractive Index Unit，是折射率单位，10⁻⁵RIU 意味着可以检测到折射率小数点后五位的变化）。

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来源：凯视迈精密测量