图1 Ta2O5波导/微环的SEM图与模拟图
1. 导读
集成光子生物传感器作为医疗诊断、环境监测、食品安全分析等领域的核心技术，凭借超高灵敏度、微型化与可扩展性优势备受关注。其中，微环谐振器通过高Q值增强光与物质相互作用，成为实现超低检测极限的关键架构。然而，传统传感器件普遍面临高Q值与高灵敏度难以协同、 传输损耗较大的技术瓶颈，限制了其产业化应用。
近日，宁波大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、北京大学等联合研究团队在《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》发表重要成果。团队采用电子束光刻与感应耦合等离子体刻蚀技术，成功制备出CMOS兼容的 Ta2O5微环谐振器。该器件在1550 nm通信波段表现卓越，室温下加载Q值达3.1×105，经600℃退火后进一步提升至5.2×105，传播损耗从1.3 dB/cm降至0.6 dB/cm。在氯化钠浓度检测实验中，器件灵敏度达279 nm/RIU，本征检测极限低至1.78×10-5 RIU，为首个实现该性能指标的片上Ta2O5微环传感平台，突破了传统材料传感器件的性能权衡困境，为下一代集成光子传感系统提供了全新解决方案。
2. 研究背景
生物传感技术正朝着高灵敏度、微型化、集成化方向快速发展，集成光子生物传感器凭借光与物质相互作用的高效调控能力，成为解决传统传感技术检测极限低、体积大等问题的核心方向。微环谐振器作为集成光子传感的核心架构，其Q值与传感灵敏度直接决定检测性能，但现有硅、氮化硅、硫系玻璃等材料平台，往往陷入"高Q值则灵敏度不足，高灵敏度则损耗过大"的两难局面。
Ta2O5作为硅光子兼容材料，展现出独特的传感优势：透明窗口覆盖紫外至中红外波段（0.28 μm–8 μm），支持多光谱传感；1550 nm波段折射率适中（n0=2.05），实现强光学约束；非线性折射率为氮化硅的3倍，热光系数仅为硅的1/20，有效抑制温度漂移；同时具备CMOS兼容性，可实现室温下高质量薄膜的高通量沉积。此前，Ta2O5已在介电超表面、非线性光学等领域展现潜力，但在片上生化传感领域的应用尚属空白，填补这一空白成为突破传感性能瓶颈的关键。
3. 创新研究
本研究的核心突破在于实现材料特性、制备工艺与传感结构的深度协同创新，首次将Ta2O5材料的独特优势转化为片上生化传感的高性能指标，攻克了传统平台“高Q因子与低检测极限难以兼顾”的技术瓶颈。
科研团队经多轮优化，建立了精密的Ta2O5微环谐振器制备流程：通过电子束蒸发技术在4英寸硅片（含2μm热氧化层）上沉积400 nm厚Ta2O5薄膜，其1550 nm波长处折射率达2.08，表面粗糙度（RMS）仅0.08 nm；后续经铬层硬掩模制备、电子束光刻图案化、混合气体电感耦合等离子体刻蚀等步骤，优化后Ta2O5波导刻蚀速率达120 nm/min，与铬的蚀刻选择比为28:1；最终通过氧气等离子体后处理及硬掩模移除，形成宽度2 μm、半径150 μm的微环结构，扫描电子显微镜显示其波导横截面垂直平整，制备质量优异。
针对波导散射损耗这一关键痛点，团队引入600℃、10小时热退火处理，通过热回流效应降低侧壁粗糙度引发的损耗，实现器件光学性能跨越式提升：加载Q因子从3.1×10⁵提升至5.2×10⁵，本征Q因子高达8.5×10⁵。
图2 Ta2O5微环谐振腔退火前后的透射谱测量与洛伦兹拟合
通信波段传输损耗从1.3 dB/cm降至0.6 dB/cm，消光比（ER）从6 dB提升至12 dB。结构设计上，150 μm微环半径既降低弯曲损耗、维持高Q因子，又平衡了器件尺寸与检测精度，279 nm/RIU的灵敏度可满足多数生物分子检测需求。
图3 退火前后加载Q值与波导损耗的对比
传感验证以氯化钠溶液为模型分析物，构建严谨检测体系：通过热电控制器将温度稳定在25.0℃，抑制热漂移干扰；采用PDMS微流控通道进行浓度梯度测试，经去离子水冲洗与氮气吹干避免交叉污染。实验显示，氯化钠浓度从0%增至2%时，共振峰在1542 nm附近红移1.1 nm，线性拟合计算得灵敏度279 nm/RIU，结合高Q因子优势，本征检测极限（iLOD）低至1.78×10-5 RIU，跻身现有Ta₂O₅基微腔传感器最高性能水平。
图4 Ta2O5微环不同NaCl浓度下透射谱与波长漂移
与现有技术相比，该器件具备多重优势：Ta2O5宽透明窗口支持多光谱传感，适中折射率（1550 nm处n0=2.05）实现光场强约束，高非线性折射率（7.2×10-19 m2/W）强化光物质相互作用，低热光系数（5.75×10-6/K）保障检测稳定性，且兼容CMOS工艺利于规模化集成。相较于飞秒激光光刻辅助化学机械蚀刻等方法，本研究采用的工艺更适配现有生产线，助力单芯片集成与产业化应用。该研究不仅首次实现Ta2O5在高性能片上生化传感的成功应用，更通过材料、工艺、结构协同创新，打破传统技术僵局，为集成光子传感提供了全新解决方案。
4. 应用与展望
该Ta2O5微环谐振器凭借高Q值、低损耗、高灵敏度及CMOS兼容性的综合优势，在医疗诊断（如血糖监测、肿瘤标志物检测）、环境监测（如污染物浓度分析）、食品安全（如有害物质筛查）等领域具有广阔应用前景。其宽透明窗口特性可支持从生物分子到温室气体的多光谱传感，为复杂体系检测提供了新路径。
未来，研究团队将进一步优化刻蚀工艺以降低波导散射损耗，通过设计悬浮式微腔结构增强倏逝场与检测对象的相互作用，提升传感灵敏度；同时减小器件尺寸，增加自由光谱范围，降低外部噪声干扰。此外，团队计划推动该谐振器与微流控系统、信号处理单元的集成，开发规模化生产的高性能光子传感芯片，加速集成光子传感技术的产业化落地。。
该研究成果以“High Quality Factor, High Sensitivity Ta2O5 Microring Resonator for Biochemical Sensing”为题发表于《JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY》（DOI: 10.1109/JLT.2025.3610209）。
本文作者包括 Zhen Yang, Zheng Zhang, Peng Chen, Zhe Long, Qi Cheng, Jiaqi Yang, Yi Zou, Yu Lin, Bin Fang, Zhongming Zeng, Zhiping Zhou 及 Rongping Wang，其中 Rongping Wang 教授为通讯作者。王荣平教授团队隶属于宁波大学高等技术研究院红外材料与器件实验室。