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目前集成光子学技术最大的量产方向是光通信方向，光通信方向工作波段为1260-1650波段，而集成光子学作为传统光学的一个代替，其所能实现的能量，也绝不仅仅只有光通信波段，从整个光谱来看，在可见光和近红外波段集成光子学，亦也有巨大的市场空间，比如光谱仪，生物传感，量子技术等，本文小编将会和大家分享可见光和近红外硅光子技术的几个应用领域

他们包括：

e. 非线性频率生成                      f 生物传感器（生物检测）

g.显微镜                                   h. 光遗传学探头（hot!!,光遗传学）

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5.5. 非线性频率生成

在低损耗波导中，可以形成高质量（Q）因子谐振器，由于波导限制和相长波导强度的增加，可以在低输入功率下实现非线性转换和波长生成由谐振引起的谐振器中多次往返的干扰。迄今为止，非线性光子电路主要关注使用 SiN 波导。

5.5a. 布里渊激光器

由于增益带宽较窄，受激布里渊散射 (SBS) 非常有用实现紧凑型低噪声、窄线宽激光器。在 VIS 光谱中，窄原子、分子和光学 (AMO) 物理实验需要线宽激光器，其中输入激光束锁定原子种类的特定跃迁。

(a) 自由光谱范围 (FSR) 为 3.587 GHz 的谐振器的设计，其中是 25.110 GHz 一阶斯托克斯频移的 1/7。(b) SiN波导的照片谐振器半径为 8.9509 mm，输入 λ = 674 nm。(c) 片上泵光功率（Pon-chip）与一阶斯托克斯（S1）信号功率。测量S1激光阈值为 14.7 mW，对应阈值密度为 4.92 mW µm−2,和 45% 的斜率效率。黑点表示一阶斯托克斯的建模（S1）线。黄点显示预测的二阶斯托克斯 (S2) 阈值约为60毫瓦。(d) 测得的 S1 发射线宽，低于阈值（蓝色），仅低于阈值（棕色）和高于阈值（绿色）。低于阈值，布里渊16.5 MHz 的发射线宽大约是由约 16 MHz 的冷腔谐振器线宽滤波的 SBS 增益。对于SBS激光器，线宽为120 kHz 是受激发射的主导。分辨率带宽 (RBW)电频谱分析仪为 1 kHz。转载自创意下的[67]共享许可证。

VIS 光谱 SBS 激光器和 SiN 波导中的自发布里渊散射环形谐振器在[67]中有报道。这项工作主要集中在 674 和698 nm 以匹配锶离子或中性原子钟的跃迁。图14总结了工作。激光器采用单总线耦合环形谐振腔设计使用低限制 SiN 波导（20 nm 厚的 SiN）。由于波导低损耗约为 1 dB/m，在 λ = 674 nm 附近观察到约 6 × 107 的高 Q 因子。布里渊激光在 λ = 674 nm 处实现，光学阈值为 14.7 mW，45%一阶斯托克斯线的斜率效率和 9.28 mW 片上输出功率。这当泵浦功率从阈值以下增加时，线宽变窄至 269 Hz高达二阶斯托克斯发射阈值。一阶斯托克斯频率频移约为 25 GHz，增益带宽为 290 MHz。SBS激光作用是也在 λ = 698 nm 处观察到。

(a) 从 NIR 超连续谱产生 (SCG) 到使用 χ 的 VIS 光谱(3)基于三重和频率生成（TSFG）的非线性用超短脉冲泵浦的 SiN 波导中的过程。(b) 实验装置由 EO 脉冲发生器和基于芯片的 SiN 波导组成。输出光谱由 CCD 光谱仪和 OSA 捕获。PM，相位调制器；IM，强度调制器；CFBG，啁啾光纤布拉格光栅；EDFA，掺铒光纤放大器；ADF，信号交替色散光纤；PC、偏振控制器。（C）SiN 波导的照片。(d) 顶部：红外超连续谱（粉红色和紫色迹线）由 10 GHz 重复率、50 fs 持续时间和 150pJ 能量脉冲。泵浦光谱由橙色迹线表示。底部：可见光SiN 波导输出端的频谱。插图：VIS 光输出图像通过衍射光栅进行色散。水平线标记每个梳状模式 0.1 nW。垂直虚线标记特定波长。经许可转载[194] © 光学协会。

5.5b。频率梳

低损耗 SiN 波导还可用于从红外产生 VIS 波长光。在[194]中，如图15所示，产生了λ = 1560 nm的短光脉冲来自 10 GHz 的 EO 调制，用于泵浦多模但低损耗（0.2dB/cm（λ = 1560 nm）SiN 波导。芯片上的 SiN 波导为 14 mm长，宽度和高度分别为 1 µm 和 0.8 µm。通过 SiN 波导中克尔非线性的三重和频生成过程，可见光光谱中波长范围从 400 nm 到 600 nm 的频率梳nm 生成。产生的 VIS 光谱跨度超过 250 THz，平均每个模式的功率为 0.4 nW。该技术表明可以将存在成熟仪器的红外电信频段可见光光谱。这种方法在天文摄谱仪中具有潜在的应用连续波激光器的校准和参考。

[195]中提出了用于光学时钟测量的 SiN 光子芯片。单泵输入激光在波导中产生频率梳，每个频率梳通过波导色散调谐到特定波长（即，通过选择波导宽度）。超连续谱输出对应于波长光学时钟标准。波导的超连续谱输出耦合到 PD。在每个 PD，超连续谱光与适当的时钟相结合用于外差检测的激光。周期性极化铌酸锂（PPLN）可以是集成以供自参考。图 1 经 Carlson 等人许可转载，物理。修订版应用程序。8、014027（2017）[195]。版权所有 2017 美国体能协会社会。

在[195]中，作者提出使用化学计量的 SiN 波导来实现高效、宽带非线性光谱展宽和超连续谱生成。拟议的概念如图 16 所示。泵浦激光器产生宽带超连续谱跨越波长范围从∼650到∼2600 nm，涵盖了与光钟标准相对应的原子跃迁波长。SiN PIC 提供一种使用 1550 nm 单激光器相干驱动参考的集成方法在其他波长。为了实现这一目标，卡尔森等人。[195] 生成两个八度来自 SiN 波导的超连续谱，用于测量相对频率1550 nm 腔稳定参考激光器和 NIST 钙之间的不稳定性657 nm 原子钟激光。这项工作表现出高时间一致性、高SiN 中的波长转换效率和宽波长转换成为可能波导。

5.6. 生物传感器

生物传感器因其成本低、精度高、通用性强等优点而得到广泛应用。应用于环境监测、食品安全评估和疾病诊断等各种场景[196]。在生命科学领域，许多工具在 VIS 中工作，由于生物组织中的低散射和吸收而产生的近红外光谱区域以及低成本 PD 的可用性 [38]。基于 SiN 的 PIC 平台，结合Si PD 单片集成的潜力，在生物传感应用中很有前景[197]。多家商业代工厂，包括 IMB-CNM、imec BioPIX、Ligentec 和 LioniX 开发了用于生物光子学的基于 SiN 的 PIC 平台 [42]。生物传感主要可分为基于荧光的传感和无标记的传感传感。

在本节中，我们将主要讨论基于由生物识别和目标分子之间的相互作用引起的折射率变化。为了提高无标记传感的检测限，波导生物传感器的表面通常由生物识别分子功能化，允许对目标分子进行特异性吸附，从而实现选择性吸附生物识别和目标分子之间的相互作用。根据其光学设计，生物传感器可分为两种主要类型类型：基于干涉测量和基于共振。基于干涉测量的生物传感器包括 MZI、杨氏干涉仪 (YIs) 和生物模态波导 (BiMW)。基于共振的生物传感器包括表面等离子共振 (SPR)、光子晶体、MRR 和其他回音壁模式 (WGM) 谐振器，例如微盘和微环形线圈。在无标记生物传感中，波导表面为暴露于分析物，这会修改生物识别的功能化层波导表面上的分子。功能层选择性地与目标分子。如图17(a)所示，根据目标类型的不同生物识别分子可以是抗原、配体和蛋白质。后生物识别和目标分子之间的目标特异性相互作用，一种薄薄的生物分子层形成在光子波导周围。当光在传播时波导中，倏逝光场渗透到生物分子层中。这生物分子对和分析物之间的折射率差异导致局部波导附近的折射率发生变化，从而改变光与物质的相互作用倏逝场和生物分子层之间。因此，波导的透射或反射光谱会根据厚度而变化，生物分子层的密度、分子类型，以及目标的细微变化可以检测分析物中的分子浓度。可检测分子的大小取决于穿透深度的渐逝场。检测限 (LOD) 和灵敏度很重要评估生物传感器的指标。对于基于干涉测量和基于共振的传感器，LOD 表示可检测到的环境的最小量变化，它提供了评估传感性能的直接指标。生物传感器的 LOD 取决于光子器件和分辨率测量设置[196]。对于使用折射的无标记光学生物传感器索引变化作为感知机制，LOD可以指定不同的指标包括折射率单位 (RIU)、表面质量密度（或总质量）和样品浓度[196]。

5.6a. 基于干涉测量的生物传感器

MZI生物传感器的结构如图17(b)所示[198]。光进入从MZI 的输入端口并分为两个臂。一只手臂的顶部覆层被移除，使得传感臂暴露于分析物和波导表面可以进行化学修饰。另一臂用作参考波导，它通过顶部包层与分析物隔离。目标物吸附后分子到功能化波导表面上，折射率接近传感臂发生变化，导致传感臂中的光学相位发生变化。什么时候在两个臂中传播的光在输出端口重新组合，相对相位差异随后导致输出光谱的光谱偏移。此外，参考臂可用于消除某些噪声项，包括变化

(a) 用于生物传感的表面改性光子波导的横截面和 (b)MZI 生物传感器示意图，其中一只臂位于传感窗口中 [198]。转载自 Sens. Actuators, B, 236, Melnik 等人，“局部功能化具有可打印功能的 CMOS 兼容 Si3N4 Mach-Zehnder 干涉仪聚合物”，1061–1068，版权所有 2016，已获得爱思唯尔许可。(c) 说明BiMW 传感器。González-Guerrero 等人，J. Biophotonics 10, 61–67 (2017) [199]。版权所有 Wiley-VCH Verlag GmBH & Co. KGaA。经许可转载。(四)MRR 传感器的 SEM 图像。转载自 Curr。意见。化学。Biol.，17，Kindt 和Bailey，“使用微环谐振器进行生物分子分析：在多路复用中的应用诊断和相互作用筛查，”818–826，版权所有 2013，经许可来自爱思唯尔。

热漂移引起的折射率[200]。基于 MZI 的生物传感器具有典型检测限范围为 10−7至 10−4 RIU [200–202]。MZI 传感器信号可以通过增加传感窗口长度来增强，但代价是较低的集成密度。基于MZI的片上传感器具有简单的优点设备结构、高灵敏度和相对成本有效的实验装置。对于由 BiMW 组成的基于干涉测量的生物传感器，双峰部分具有比单模波导更大的尺寸，因此可以是两个光学模式支持的。在渐逝场与分析物相互作用的传感器区域中，两种模式的传播常数不同导致有效指数不同变化。然后可以通过以下方式确定目标分子的浓度变化分析多式联运干扰谱的变化[图1]。17(c)][42]。在基于 BiMW 的传感器设计中，存在从单模光到双模光的转变传播。过渡接口必须精心设计才能有效激发两种模式都处于双峰区域，确保每种模式都有强烈的光-物质相互作用模式。BiMW生物传感器因其结构简单、易于制造、并放宽了对制造错误的容忍度。BiMW 传感器具有高灵敏度典型的检测限范围为 10−8到 10−6 RIU [199,203,204]。

5.6b. 基于共振的生物传感器

共振结构为需要的传感应用提供了巨大的潜力强烈的光-物质相互作用。图 17(d) 显示了 MRR 传感器的 SEM 图像 [205]。在此设计中，来自总线波导耦合的一小部分光转瞬即逝到微环，导致透射光谱消光。光在微环中循环多次，产生有效路径长度明显大于环周长[206]。与基于干涉测量的传感器相比，MRR 需要更少的表面积和样品体积。的效果环境中的细微扰动通过微环中循环波导模式的往返放大，并且可以通过谐振波长进行监测转移。为了补偿环境波动（例如温度变化），可以包含参考微环以消除非特异性结合的影响，从而提供校准光谱。MRR 传感器的典型检测限范围从 10−7到 10−6 RIU [197,207,208]。尽管 MRR 有优势，但也面临一些挑战。他们通常有Q 因数约为 104由于波导表面粗糙度，在溶液中。微盘和另一方面，由于散射较少，微环形线圈可以具有更高的 Q 因子。表面粗糙度。MRR 对制造变化敏感，因为耦合强度受波导和微环之间的间距影响。此外，实验装置通常需要可调谐激光源，这增加了成本。尽管如此，MRR 在生物传感应用中继续受到广泛关注由于它们具有密集芯片级集成和光电集成的潜力带有片上激光器和光电二极管。

5.6c。比较与扩展

表 5 总结了在 VIS 范围内运行的几种类型的光学生物传感器[197,199,209–212]。为了增加传感器的功能，可以将多个传感器配置集成到 PIC 中以提高性能。例如，基于游标效应的级联 MZI 和 MRR 传感器表现出更高的性能灵敏度高于 MZI 传感器 [213,214]。传感器可以被复用以实现不同分析物的并行检测（例如，[201]）。每个传感器都可以功能化具有不同类型的抗体，以及多种抗原抗体结合反应可以同时监控。由于大多数传感器与样品流体接口，生物传感器 PIC 与微流体的协同整合也很有用。片上微流体可以精确控制液体交换，减少响应时间，并最大限度地减少高通量传感的样本量[215]。最后，整合

将光源、PD 和传感器集成在单个芯片上，可实现小型化并降低成本便携式和护理点设备的减少[47,216]。

5.7. 显微镜检查

光学显微镜是目视观察有机物的重要工具。和无机样品。传统显微镜采用标准体积制造光学元件，例如透镜和分束器。通过塑造和图案化显微镜的照明源并观察超出范围的信号反射/透射/散射强度，例如光学相位或发射的荧光信号，可以扩展显微镜的功能，例如通过增加图像分辨率或对比度。可见光和紫外光范围内的 PIC 可以扩展通过启用替代的芯片级照明源来简化光学系统设计并解耦传统显微镜技术的功能照明和光收集路径。

5.7a. 远场成像

例如，林等人。[45]展示了用于结构照明显微镜的 PIC(SIM)在360 nm紫外波长下提高荧光性能显微镜。在 SIM 中，图案光照亮样本，并对捕获的荧光图像进行处理以检索物体。PIC 可以提供良好的控制以及具有高 NA 值的可切换结构照明，与传统荧光显微镜相比，能够增强光学分辨率。PIC 在图 18(a) 包含三对可切换的光栅耦合器，带有 TO 移相器控制并生成位于远场、远处的干涉条纹图案距离光子芯片18(b)的表面大约几毫米。这些 PIC 是用于通过 1.5 倍高的自发荧光观察无标记酵母细胞特征分辨率高于传统的宽视场显微镜。由于 PIC 尺寸较小，这种芯片级光源可以集成到传统显微镜中。这技术在病理检查、诊断和药物方面具有潜在应用发展。

5.7b. 近场成像

可见光范围 λ = 488–660 nm 的 PIC 也可用于近场成像使用全内反射荧光（TIRF）显微镜。基于 PIC 的 TIRF显微镜下，样品被光波导的倏逝场照亮模式如图18（c）[217]所示。因为倏逝场存在于波导的整个长度，可以使用低放大倍率物镜来收集发射的荧光信号[219,220]。这一优势将基于波导的与传统 TIRF 显微镜相比，传统 TIRF 显微镜需要高数值孔径和高倍物镜产生倏逝场并采集 TIRF图片; 因此，将显微镜的视野限制为最多 100 × 100 µm2[221]。相比之下，采用 VIS-PIC 的显微镜已采集 TIRF 图像0.5 × 0.5 mm2 的更大视野[218,222–224]。具有高限制波导的 VIS-PIC 平台对 TIRF 成像系统很有吸引力，因为它们可产生 1–10 kW/cm2 的大强度在转瞬即逝的场地。此外，紧密的渐逝场的穿透深度有限。限制光学模式进入样品介质可防止散焦光，从而提高荧光激发的信噪比[225,226]。最后得到一个高索引数组对比波导 (n = 1.7–2.6) 可用于产生驻波干涉条纹间距远小于高数值孔径所能实现的图案油浸物镜[227]。该特性特别有利于荧光利用图案化照明源的成像技术。由于这些原因，

(a) SIM 的 UV-PIC 来自[45]。PIC 的一条光路由 MMI（蓝色）、一对光栅耦合器（紫色）和 TO 移相器（橙色）。光路设计用于沿 D1、D2、D3 方向提供条纹图案，这些方向是旋转 120° 对称。(b) 基于 UV-PIC 的 SIM 原理图，来自 [45]。这里WD是显微镜物镜的工作距离，Wc是距离光子芯片的顶面和样品之间。紫色箭头说明紫外激发光。根据知识共享许可转载。（C）

基于 PIC 的 TIRF 显微镜示意图来自 [217]。整个波导表面被传播波导模式的倏逝场照亮。转载根据知识共享 CC-BY 4.0 许可证。(d) 微管蛋白的 PIC 图像来自肝窦内皮细胞[218]。比较衍射极限图像具有两个不同的基于 PIC 的 TIRF 图像。ESI 是一种基于荧光波动的技术利用波导照明源的多模行为，而dSTORM 没有。dSTORM图像的分辨率是最高的。高限制可见光波导平台使成像技术成为可能，例如作为直接随机重建技术（dSTORM）[218,222,223,225]，点纳米级形貌的积累（PAINT）[217]和SIM [227,228]，以实现亚衍射极限分辨率，有时超过已证明的分辨率通过他们传统的 TIRF 实现 [227]。对于大多数纳米级应用，例如生物细胞和二维缺陷的研究材料，成像需要 10 至 500 µm 之间的宽波导宽度[221,229]。这些波导本质上是多模的。成像技术是基于荧光波动的，例如基于熵的超分辨率成像（ESI），可以受益于支持多种光学模式的波导[218]。多模波导芯中的干扰 (MMI) 会导致倏逝场强度不均匀分布有暗区，因此激发不均匀样本。通过调制波导中的 MMI 图案，可以产生随机的帧之间的强度波动，可以生成超分辨率图像当处理获取的数据时[230,231]。尽管基于波导荧光波动的成像技术可以实现高数据采集速度，但它们尚未证明空间分辨率可与其他基于 PIC 的 TIRF 成像相媲美技术，例如 dSTORM 和 PAINT。分辨率的区别如图所示

图 18(d) 中，基于 PIC 的 dSTORM 与基于 PIC 的 ESI 进行了比较。纳米显微镜dSTORM 和 PAINT 等方法需要对样品进行均匀照明，

因此，更宽波导的多模行为对这些提出了挑战技术[221,222]。为了实现大而均匀的渐逝场，需要长绝热锥度可用于扩展单模波导，使其宽度大于10 µm，适合成像应用。例如，绝热锥度长度为500 µm 至 1.5 cm 之前已被证实 [217,221]。替代方法是对具有不同波导 MMI 模式的多个图像进行平均以平衡成像区域内的强度变化[218]。

5.8. 神经技术

5.8a. 神经元的光学驱动和成像

可见光光谱中的光学技术已成为研究的重要工具大范围的大脑动力学。具体来说，光遗传学刺激和功能荧光成像利用可见光来刺激活动并监测功能细胞水平的动力学。光遗传学刺激涉及光门控离子通道或视蛋白的表达，针对特定的神经元细胞类型。当这些神经元暴露在光线下时特定波长，离子通道打开，增加细胞膜电位一旦达到阈值电位，就会触发动作电位。最多常用于光遗传学刺激的视蛋白是视紫红质通道蛋白 2 (ChR2)，它响应蓝光（波长为 477 nm）[232]。其他人已经开发出来了视蛋白红移有两个原因：（1）增加光的穿透深度大脑由于较长波长的散射较低；和（2）具有不同的视蛋白激发波长可以在不同的神经元细胞类型中表达，从而允许多种细胞类型的并行操作[233]。

另一方面，功能性荧光成像通过引入与特定分子结合的荧光指示剂来实现神经元活动的可视化。当指示剂与目标分析物结合时，会导致量子变化效率，从而改变荧光强度信号。一种广泛使用的功能成像技术是钙成像，其中细胞内 Ca2+ 的变化通过荧光强度的变化监测浓度，提供代理用于电尖峰。这些荧光指示剂也可以被基因编码并引入特定的细胞类型。其中GCaMP6应用最为广泛用蓝光激发的基因编码钙指示剂[234]。尽管光遗传学刺激和功能荧光成像技术取得了重大进展，但仍然存在限其实现能力的挑战对啮齿动物大脑进行全脑询问。制约因素之一是渗透率有限散射脑介质内可见光的深度。通常，蓝光具有散射长度 < 200 µm，仅为小鼠大脑深度的一小部分[235]。[236]中的工作成功证明了深部脑光遗传学刺激（7毫米深），无需对小鼠进行颅内手术，使用高强度组合红光（> 800 mW/mm2）和红移视蛋白 ChRmine，但这种方法有限的空间分辨率来实现跨多个大脑区域的选择性刺激由于散射光束宽度较大。

(a) 集成光子神经探针示例的光学显微照片。罪波导用于将来自外部光源的光引导至柄，它被植入啮齿动物的大脑中。 (b) 光栅的光学显微照片柄远端的发射器展示了 460、505、532 处的光束发射，和580纳米。 经 [13] © 光学协会许可转载。

5.8b. 植入式神经探头

VIS-PIC 是一项很有前途的技术，可以帮助克服这一限制神经技术中的光学技术。 VIS-PIC 的一个关键优势是多个光学器件可以集成到单个芯片上，从而使小型化成为可能用于植入深部大脑区域的装置。 VIS-PIC 神经网络的示例探针如图19(a)所示。 探针柄宽度小于100 µm，允许以微创方式植入啮齿动物的大脑。 光子电路集成到探头中包括边缘耦合器，用于将光耦合到芯片上，SiN 波导用于沿着探头柄引导光，并使用光栅发射器发射光线从探头射入大脑。 由于这些组件是宽带的，因此该设备支持跨 VIS 光谱的引导波长，如图 19(b) 所示。这一特性对于涉及光遗传学刺激的应用是有利的使用双波长来控制表达不同的两个神经群体视蛋白（即 ChR2 和 ChrimsonR [237]）。 另外，工程各种光栅设计可以实现不同的光束发射模式，定制光束模式用于不同的神经科学实验。 例如，均匀光栅发射器可以产生低发散光束，而其他工作已成功证明

VIS PIC 上具有聚焦光束、光片光束和可操纵光束的光栅发射器[158,238–240]。最后，VIS-PIC 技术有可能减少器件成本。

为了研究不同大脑区域之间的相互作用，多个光学发射器可以集成在芯片上以将光传送到多个区域。 不同的复用已经证明了解决光发射器问题的方案。 通常，大多数神经探针仅包含无源装置，以最大限度地减少大脑中的热量产生，这会对神经元网络的功能产生负面影响[241]。 仅适用于被动式探头，[242]使用 AWG 实现波分复用 (WDM)

具有不同光通道寻址方案的集成光子神经探针。

(a) 使用单个 AWG 实现 WDM，以使用以下方法解决九个光栅耦合器的问题：不同的波长。 根据知识共享许可从 [242] 转载。 (二)

基于环形谐振器的波长解复用电路的示意图，每个电路都连接到神经探针上的光栅发射器。转载自 [243] 下的创意共享许可证。 (c) 16芯多芯光纤边缘的空间寻址方案

与具有 16 个发射器和 18 个 TiN 记录的集成光子神经探头耦合电极。 激光源通过一个地址对多芯光纤中的各个芯进行寻址基于 MEMS 的自由空间光学扫描仪。 经[244]许可转载。 (四)带有 1 × 8 TO MZI 光学开关以寻址 8 的神经探针的 3D 示意图探头柄上的光栅发射器。 铂记录电极集成在芯片上，用于电生理学记录。 在知识共享下从 [70] 转载执照。

将输入波长分成九个不同的光栅发射器。设置显示在图20(a)。 波长调谐范围在 468 至 476 nm 之间，比ChR2 的敏感性谱。 为了以更小的探头尺寸实现 WDM，兰齐奥等人。 [243]利用环形谐振器，每个谐振频率略有不同偏移，如图20(b)所示。 另一种实现信道复用的方法是

通过对多芯光纤的光纤芯进行空间寻址。在图 20(c) 中，Chen 等人。[244]通过将光耦合到单个核心上展示了 16 个光学通道定制 16 芯光纤，带有基于 MEMS 的自由空间光学扫描仪。 这种方法与WDM相比，具有实现更低串扰的优点。 此外无源器件、有源器件，例如热光 MZI 光开关 [70]，如图20（d）所示，已在片上实现以实现快速通道开关速度<20 µs。 然而，应考虑热管理，因为大脑温度升高约 1 K 会产生生理效应

效应[241]。

5.8c。当前神经探针的局限性

目前，前面提到的方法已经证明了不到 20 个光学渠道，每个渠道都有其自身的局限性。 对于 AWG 方法，超连续谱光源用于提供宽波长调谐范围。 然而，力量有限超连续谱激光器的输出和宽线宽使其实现具有挑战性高通道数而不牺牲功率输出和增加串扰。 基于环形谐振腔的带有激光二极管的 WDM 可以通过以下方式实现高通道带宽：通过级联环形架构缩小了环的线宽，但该器件对制造缺陷很敏感，通常需要主动调整相位，使其不适合温度敏感的应用，例如神经探针。使用多芯光纤的空间寻址可将通道之间的串扰降至最低，但在光纤和后续芯片中以线性阵列形式制作超过 16 个芯包装具有挑战性。 最后，为热光级联更多 MZI 级开关可以增加输出数量，但会导致更高的光损耗，因为每个MZI 级会引入额外的损耗（[49] 中报告的 3.6–3.9 ± 1.5 dB/级）。由于现有切换方案的这些限制，有必要结合不同的复用方案可达到超过 100 个光通道。

5.8d。多功能神经探头

人们对整合其他功能以实现多功能神经探针来监测大脑的其他物理特性也越来越感兴趣。多部作品[70,240,243–245]已经证明了生物相容性电极和探头上的 SiN 波导可实现同步光遗传学刺激和电生理记录。 另一个例子在[246]中提出，它提出SiN 器件与角度选择性单光子雪崩探测器的集成（AS-SPAD）在神经探针上实现密集功能性无透镜脑成像。 带有光栅发射器的多个波导将光传送到大脑深处区域以激发兴奋钙指示剂和 AS-SPAD 阵列可以对荧光信号的起源进行三角测量。 这种新范式有可能超过记录的数量神经元单位与电生理学的比较。 此外，它还提供多功能性除了监测钙活性之外。 通过在大脑中表达不同的基因编码光学传感器，该设备可以监测其他化学动力学，例如使用 dLight1 检测多巴胺能神经递质的浓度[247]。