日前，北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心王興軍課題組（信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院電子學(xué)系）和肖云峰、龔旗煌課題組（物理學(xué)院）在微納光學(xué)傳感研究中取得重要進(jìn)展。他們利用光學(xué)暗場(chǎng)外差干涉儀和頻率變換相結(jié)合的傳感新方法，將實(shí)時(shí)信號(hào)采樣噪聲降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并成功實(shí)現(xiàn)了聚苯乙烯納米微粒和單個(gè)病毒樣顆粒的高靈敏度檢測(cè)。

光學(xué)倏逝場(chǎng)傳感器具有超高靈敏度和非標(biāo)記等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在精密測(cè)量、環(huán)境安全、生命健康等多領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。然而，在傳感過(guò)程中固有的低頻電噪聲，主要包括1/f 低頻噪聲，導(dǎo)致很多重要生化過(guò)程（例如抗原-抗體反應(yīng)、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)和脫氧核糖核酸雜交等）的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)難以實(shí)現(xiàn)。

為此，聯(lián)合課題組提出一種通過(guò)光學(xué)暗場(chǎng)外差干涉儀與頻率變換相結(jié)合的傳感新方法，可對(duì)1/f 噪聲進(jìn)行高效抑制【圖(a)】，并通過(guò)CMOS兼容的暗場(chǎng)外差波導(dǎo)干涉結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了納米尺度單顆粒的超高靈敏度檢測(cè)【圖(b)】。實(shí)驗(yàn)中，采樣噪聲幅度被抑制了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，使得成功檢出半徑為30 nm的單個(gè)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(guò)對(duì)傳感信號(hào)的統(tǒng)計(jì)和分析，檢測(cè)極限有望進(jìn)一步提升，并實(shí)現(xiàn)對(duì)納米顆粒尺寸的精確測(cè)量。與此同時(shí)，聯(lián)合課題組還提出集成波導(dǎo)陣列的方案，大幅度提升檢測(cè)速度，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)多種病毒或分子進(jìn)行復(fù)合型檢測(cè)。

(a)1/f  噪聲抑制機(jī)制；(b)基于片上波導(dǎo)暗場(chǎng)外差干涉儀的單顆粒檢測(cè)

2021年3月30日，相關(guān)研究成果以《1/f 噪聲抑制的片上光學(xué)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(xué)2017級(jí)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(xué)院陳匡時(shí)研究員提供了HIV-1病毒樣顆粒，有力支撐了本項(xiàng)研究。

上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、區(qū)域光纖通信網(wǎng)與新型光通信系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和北京大學(xué)高性能計(jì)算平臺(tái)等支持。

北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心簡(jiǎn)介：

北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心是我國(guó)實(shí)施“高等學(xué)校基礎(chǔ)研究珠峰計(jì)劃”的核心內(nèi)容，是教育部推動(dòng)高等學(xué)校加強(qiáng)基礎(chǔ)研究、實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新引領(lǐng)的重要舉措，于2018年正式啟動(dòng)。北京大學(xué)納光電子前沿科學(xué)中心作為獲得首批立項(xiàng)的前沿科學(xué)中心之一，旨在打破學(xué)科界限和院系壁壘，融合集成納光子與微電子的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展基礎(chǔ)性、前瞻性、多學(xué)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(cè)試、納光電子芯片與應(yīng)用等三大方向開(kāi)展研究，匯聚了包括光學(xué)、凝聚態(tài)物理、微電子與固體電子學(xué)、物理電子學(xué)、通信與信息系統(tǒng)等多學(xué)科的骨干力量，推動(dòng)研究的深度交叉和高度融合。成立兩年來(lái)，已在隊(duì)伍建設(shè)、平臺(tái)建設(shè)等方面取得顯著成效：新增中國(guó)科學(xué)院院士1名、教育部“長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃”特聘教授2名、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者3名、卓越青年科學(xué)基金獲得者1名等；在《科學(xué)》（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(guó)光學(xué)十大進(jìn)展，在首屆中國(guó)半導(dǎo)體十大研究進(jìn)展評(píng)選中獨(dú)中四元，充分展現(xiàn)出面向世界科技前沿和國(guó)家重大需求的創(chuàng)新研究激發(fā)的新活力和新動(dòng)力。中心首席科學(xué)家由物理學(xué)院龔旗煌院士擔(dān)任，學(xué)術(shù)委員會(huì)主任由信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院黃如院士擔(dān)任。