问题概述：

随着仪器仪表制造技术的不断发展，器件性能与尺寸功耗之间的矛盾日趋明显。未来传感器件要实现小体积、低功耗、大数据量存储和高速处理这些要求，就必须利用成熟的硅基半导体工艺实现光子器件的集成制造，使其兼具CMOS技术的超大规模逻辑、超高精度制造的特性和光子技术超高速率、超低功耗的优势。

随着近年来集成电路和MEMS制造技术的发展，不同材料体系的光学波导和高Q值光学微腔（如氟化钙、铌酸锂、氟化镁和硅、二氧化硅、氮化硅等）的制造工艺逐渐成熟，在低阈值激光器、光学精密传感与测量、高灵敏度生化传感、声光耦合、腔量子电动力学、非线性光学等领域展现了极大的应用潜力。与此同时，基于光学微腔的半导体激光光源、调制器、探测器也得到了飞速发展。吸引欧美等国家对该领域进行研发规划和战略布局。以美国DARPA MTO研究室为代表的研究团队将“光子芯片”（Chip-scale Photonics）作为主攻方向，旨在新一代的传感测量光电混合芯片集成上有所突破。欧洲航天局ESA与IMEC也已立项开展纳米光波导及光波导谐振传感测量基础研究，拟形成设计、制造、封装、测试一体化的攻关体系。然而，对于现有的硅基光电芯片集成兼容制造技术来说，要走向工程实际应用依然有很多问题亟待解决，面临的挑战包括：

1、光学微腔与物理参量耦合作用机理问题

目前国际上以高Q值光学微腔与物理参量耦合作用机理及其信息感知方法的研究已经形成了国际研究热点，在Nature、Science等国际顶级期刊上每年都有大量相关文献报道，但是如何解决相关物理效应在器件应用过程中的多物理场综合作用机理及系统建模方法还缺乏系统研究。

2、高Q值光学微腔的批量制造技术问题

光学微腔的高Q值是实现高精度信息感知与测量的关键，如何实现高Q值光学微腔的设计与制造，尤其是解决批量制造过程中的高稳定性光学材料加工、低损耗高光滑度微腔结构制造等技术瓶颈，是实现相关技术工程应用的关键。

3、集成光电传感器件噪声抑制问题

对集成光电传感器件而言，保证纳米光波导及光波导谐振传感器件的稳定，以及光学元件高效地互联运行，才是该技术的核心关键所在。由于光互联的敏感性强于电互联，对其必须具有更高的抗干扰和运行可靠性方面的设计要求。高性能的调制解调以及频率跟踪锁定技术是传感器高精度信息解算的关键，系统在小型化集成的过程中如何有效抑制系统集成所带来的光路、电路以及环境噪声，是相关技术及机理应用推广的关键技术瓶颈。

4、小体积光学功能单元的集成制造问题

在硅基光电传感器件的集成制造中，高效激光源、光波导和谐振腔等光学功能单元的制造是系统的基础也是核心。然而，硅是一种间接带隙半导体材料，其光发射是典型的声子辅助的低几率过程，难以制成诸如激光器等光学功能单元。面向微型化的器件集成，如何利用直接带隙III-V族材料的有源器件解决其结构的片上异质集成制造工艺，是未来发展的关键技术瓶颈。

重要意义：光波导微谐振腔具有强光场局域效应、高效光耦合传输特性，易于芯片集成，能够大大地缩小光子器件的体积，降低器件功耗的优势，已成为新型微传感器件研究的新载体。重点突破在微型化过程中的微腔与物理参量耦合作用机理、高Q值光学微腔的批量制造、集成光电传感器件噪声抑制、小体积光学功能单元的集成制造等关键科学和技术难题，有望实现硅基纳米光波导/光学微腔光电传感器件芯片化集成。从而能够突破原有机电和光学测量系统的技术瓶颈，满足器件大规模生产的要求，大幅提升现有装备效能，催生新的体系。例如，应用于谐振式集成光学陀螺，可以将光学与微加工技术相结合，用于提高陀螺灵敏度与抗电磁干扰能力，并实现小尺寸、小重量、高指标的目标；应用于光声灵敏传感器，能减小机械形变的误差，增强密封效果与透声效应，提高微弱声信号的信噪比，简化系统模型，大大拓宽应用范围。此外，由于光互联效率远远高于电互联，因此许多关联电路的问题，都可以通过光电集成得以解决，应用于诸多科学仪器与研究领域。硅基光子器件与芯片集成必将会给社会管理、民众生活带来更多便利，因势利导创造光电集成新型应用平台，最终能达到硅基光电集成器件的大规模市场应用的目标，产生巨大的经济效益、军事效益、科研效益与社会效益。