日前，北京大學納光電子前沿科學中心王興軍課題組（信息科學技術學院電子學系）和肖云峰、龔旗煌課題組（物理學院）在微納光學傳感研究中取得重要進展。他們利用光學暗場外差干涉儀和頻率變換相結合的傳感新方法，將實時信號采樣噪聲降低了兩個數(shù)量級，并成功實現(xiàn)了聚苯乙烯納米微粒和單個病毒樣顆粒的高靈敏度檢測。

光學倏逝場傳感器具有超高靈敏度和非標記等獨特優(yōu)勢，在精密測量、環(huán)境安全、生命健康等多領域應用中發(fā)揮著重要作用。然而，在傳感過程中固有的低頻電噪聲，主要包括1/f 低頻噪聲，導致很多重要生化過程（例如抗原-抗體反應、細胞運動和脫氧核糖核酸雜交等）的動態(tài)監(jiān)測難以實現(xiàn)。

為此，聯(lián)合課題組提出一種通過光學暗場外差干涉儀與頻率變換相結合的傳感新方法，可對1/f 噪聲進行高效抑制【圖(a)】，并通過CMOS兼容的暗場外差波導干涉結構實現(xiàn)了納米尺度單顆粒的超高靈敏度檢測【圖(b)】。實驗中，采樣噪聲幅度被抑制了兩個數(shù)量級，使得成功檢出半徑為30 nm的單個聚苯乙烯顆粒（信噪比高于14 dB）和人類免疫缺陷病毒1型（HIV-1）病毒樣顆粒（SNR～20 dB）。通過對傳感信號的統(tǒng)計和分析，檢測極限有望進一步提升，并實現(xiàn)對納米顆粒尺寸的精確測量。與此同時，聯(lián)合課題組還提出集成波導陣列的方案，大幅度提升檢測速度，有望實現(xiàn)對多種病毒或分子進行復合型檢測。

(a)1/f  噪聲抑制機制；(b)基于片上波導暗場外差干涉儀的單顆粒檢測

2021年3月30日，相關研究成果以《1/f 噪聲抑制的片上光學傳感》（“1/f -noise-free optical sensing with an integrated heterodyne interferometer”）為題，在線發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）；第一作者是北京大學2017級博士研究生金明和“博雅”博士后唐水晶，通訊作者為王興軍教授和肖云峰教授。重要合作者、工學院陳匡時研究員提供了HIV-1病毒樣顆粒，有力支撐了本項研究。

上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、區(qū)域光纖通信網與新型光通信系統(tǒng)國家重點實驗室和北京大學高性能計算平臺等支持。

北京大學納光電子前沿科學中心簡介：

北京大學納光電子前沿科學中心是我國實施“高等學校基礎研究珠峰計劃”的核心內容，是教育部推動高等學校加強基礎研究、實現(xiàn)創(chuàng)新引領的重要舉措，于2018年正式啟動。北京大學納光電子前沿科學中心作為獲得首批立項的前沿科學中心之一，旨在打破學科界限和院系壁壘，融合集成納光子與微電子的優(yōu)勢，開展基礎性、前瞻性、多學科深度交叉融合的創(chuàng)新研究。中心圍繞納光電子物理與器件、納光電子集成與測試、納光電子芯片與應用等三大方向開展研究，匯聚了包括光學、凝聚態(tài)物理、微電子與固體電子學、物理電子學、通信與信息系統(tǒng)等多學科的骨干力量，推動研究的深度交叉和高度融合。成立兩年來，已在隊伍建設、平臺建設等方面取得顯著成效：新增中國科學院院士1名、教育部“長江學者獎勵計劃”特聘教授2名、國家杰出青年科學基金獲得者3名、卓越青年科學基金獲得者1名等；在《科學》（Science）、《自然》（Nature）發(fā)表論文6篇，子刊20余篇；研究成果4次入選中國光學十大進展，在首屆中國半導體十大研究進展評選中獨中四元，充分展現(xiàn)出面向世界科技前沿和國家重大需求的創(chuàng)新研究激發(fā)的新活力和新動力。中心首席科學家由物理學院龔旗煌院士擔任，學術委員會主任由信息科學技術學院黃如院士擔任。

新聞鏈接：https://news.pku.edu.cn/jxky/bd8c3fde9f7d4633883936123ae1f1b8.htm

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