综述：集成光子传感器中的表面与界面工程：性能权衡、稳定性及基准测试 尼古拉·L·卡赞斯基（Nikolay L. Kazanskiy）、 德米特里·V·涅斯特连科（Dmitry V. Nesterenko） 斯韦特兰娜·N·霍尼娜（Svetlana N. Khonina）

《Micromachines》：Surface and Interface Engineering in Integrated Photonic Sensors: Performance Trade-Offs, Stability, and Benchmarking Nikolay L. Kazanskiy, Dmitry V. Nesterenko and Svetlana N. Khonina

　　摘要 表面与界面工程已成为决定集成光子传感器性能和可靠性的关键因素。随着光子器件架构的进步以及几何优化策略接近其基本性能极限，纳米尺度界面区域——其中受限的光学模式与周围环境相互作用——逐渐成为控制灵敏度、噪声特性和长期运行稳定性的主导因素。本综述批判性地分析了这些策略在集成光子传感平台（包括波导、干涉仪和共振架构）中的最新进展。重点探讨了功能层、纳米材料和混合界面如何改变光与物质的相互作用，同时引入了光损耗、光谱失真和稳定性限制。除了总结报道的灵敏度提升外，该综述还分析了性能基准测试方法，并指出了传统指标（如整体灵敏度和名义检测限）的局限性。归一化的性能指标被讨论为在不同平台上隔离真正界面贡献的重要工具。详细研究了增强表面相互作用、光学退化和时间漂移之间的实验性权衡，以及与可重复性、晶圆级变异性和长期界面稳定性相关的挑战。通过整合来自光子学、表面化学和材料科学的见解，本综述概述了关键未解决的问题，并确定了将表面工程光子传感器从实验室演示转化为稳健且可扩展的传感技术所需的设计原则。

1. 引言
集成光子传感器已成为现代光学传感技术的基石，这得益于对紧凑、高灵敏度和可扩展平台的需求，这些平台能够应对化学分析、生物传感、环境监测和医疗诊断等领域的挑战[1]。通过在芯片级波导中限制和引导光，这些系统能够在小体积内实现强光与物质的相互作用，同时保持与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺的兼容性[2,3,4]。传感机制通常依赖于监测由于周围环境扰动而产生的光学性质变化，如相位、共振波长或强度[5,6,7,8,9]。因此，集成光子传感器相比传统光学系统具有固有优势，包括减少样品体积、高集成密度以及大规模低成本制造的潜力[10]。
集成光子传感器的一个定义性特征是衰减光场的作用，这种光场会延伸到波导核心之外的周围介质中[11,12,13]。光学模式的共振特性直接受到位于或靠近传感器表面的分析物的影响，这为无标记检测提供了基础[14]。折射率的变化、分子结合事件或界面处的吸收变化会转化为可测量的光学信号。在过去十年中，通过光子架构的创新（如环形谐振器[15]、干涉仪[16]、光子晶体腔[17,18]和槽形波导[19]）取得了实质性进展，每种架构都在灵敏度、噪声影响和长期稳健性之间提供了不同的权衡。然而，随着这些架构接近制造性能极限，进一步提高性能越来越依赖于纯光学设计之外的因素。
在这种背景下，表面与界面工程已成为传感器性能的关键决定因素。共振结构与外部环境之间的界面不仅控制着光与物质的相互作用强度，还决定了传感器的选择性、稳定性和时间响应[20,21]。表面粗糙度、化学组成、功能层厚度和界面均匀性等属性直接影响光损耗、噪声和可重复性[22]。虽然光子设计定义了光的限制和传播方式，但工程化的表面决定了探测化学和生物过程的选择性效率[23,24]。因此，传感性能的进步越来越多地依赖于在分子和纳米尺度上定制界面的技术[25]。
表面工程使得裸露的光子平台无法实现的功能成为可能[26]。通过化学功能化，可以引入特定的结合相互作用，将原本非选择性的折射率传感器转变为高选择性的检测系统[27]。功能涂层、自组装单层、聚合物和生物分子受体能够将分子识别事件转化为具有高特异性的可测量光学特性[28]。同时，新兴的材料系统（如二维材料、纳米结构氧化物和有机-无机混合界面）通过电荷转移、增强吸附和改变光学吸收提供了提高灵敏度的新机制[29]。这些发展使传感界面从被动边界演变为光子设备的主动组成部分。
除了这些优势外，表面与界面工程还引入了实际应用必须解决的新挑战[30]。功能层和先进材料可能会增加光损耗，降低共振器中的品质因数，并在制造批次之间引入变异性[31]。在环境暴露下的长期稳定性、抗污染能力以及与标准微制造工艺的兼容性仍然是重要的关注点[32]。要在保持可接受的光学性能的同时实现增强的表面相互作用，需要全面理解光子和界面现象。这一要求突显了集成设计框架的重要性，在该框架中，表面化学、材料科学和光子工程是共同优化的，而不是独立处理的[33]。
尽管关于集成光子传感器和表面功能化的文献很多，但现有的综述通常将光子架构和界面工程分开讨论。本综述提供了一个统一的、以界面为中心的视角，明确将纳米尺度界面属性与光学性能权衡（包括光损耗、噪声和长期稳定性）联系起来。特别强调了基准测试方法，指出了传统灵敏度指标的局限性，并需要归一化的、考虑噪声的性能指标来进行有意义的跨平台比较。通过整合来自光子学、材料科学和表面化学的见解，本工作为可扩展、可重复和可靠的光子传感平台建立了设计原则。
本综述的其余部分组织如下：第2节介绍了基于表面敏感性的集成光子传感的基本物理原理，重点讨论了衰减场相互作用、模式重叠和界面诱导的扰动。第3节回顾了用于提高灵敏度和选择性的主要表面与界面工程策略，包括化学功能化、纳米材料集成和混合界面设计，并讨论了它们的相关优势和局限性。第4节讨论了实际集成和制造考虑因素，强调了工艺兼容性、晶圆级可重复性和对传感器性能至关重要的封装限制。第5节探讨了这些工程化界面对不同光子传感器架构（包括基于波导的、共振的和干涉仪平台）的影响。第6节讨论了性能基准测试方法和权衡，强调了归一化和考虑噪声的性能指标。第7节指出了与稳定性、可重复性和可制造性相关的关键挑战和未解决的问题，第8节展望了未来的研究方向。最后，第9节总结了综述的主要结论。为了指导读者，图1提供了本综述结构的示意图以及所讨论主题的逻辑进展。

2. 基于表面敏感性的集成光子传感的基本原理
基于表面敏感性的集成光子传感的基本操作基于在高折射率对比度波导中限制的光学模式的行为及其通过衰减场与周围介质的相互作用[34,35]。当光沿集成波导传播时，部分光学模式会延伸到核心的物理边界之外，进入包层或外部环境。这种衰减场随着距离表面的增加而呈指数衰减，其穿透深度由波导与其周围环境之间的折射率对比度、模式极化和工作波长决定。该近场区域内的任何扰动都可能改变引导模式的有效折射率，从而形成表面敏感检测的物理基础[36]。表面敏感性集成光子传感器的性能从根本上受到界面诱导的光学特性变化的影响，如图2所示[2]。
图2. 控制表面敏感性集成光子传感的界面参数。表面和界面扰动改变了引导的光学模式，使得分子相互作用能够转化为光学信号，而光损耗和时间漂移则限制了灵敏度、稳定性和可重复性。表面诱导的扰动来源于多种机制，包括分子吸附、局部折射率的变化、表面质量负载以及由结合物种或功能层引入的吸收[37,38]。这些扰动转化为可测量的光学特性，例如共振结构中的共振波长变化、干涉仪配置中的相位变化或波导传输中的强度变化。光学响应的幅度取决于扰动区域引起的模式重塑和替换，使得表面功能化和界面质量成为关键参数[39]。因此，表面灵敏度不能被视为一个内在的材料常数，而是一个由光学模式分布和界面属性相互作用决定的新兴特性[40]。在本综述中，表面灵敏度被定义为在衰减场区域内有限厚度的表面束缚扰动层中每单位折射率变化引起的共振位移（或相位位移）。
波导几何形状在决定局部场增强方面起着核心作用。浅刻蚀的肋状波导通常提供较低的表面灵敏度，但具有更好的稳健性和较低的散射损耗[41]，而条形波导[42]、槽形波导[43]和悬浮或暴露的核心设计[44]则以牺牲对表面缺陷的敏感性为代价提供了更好的场穿透能力[45,46]。同样，具有较高折射率对比度的平台（如绝缘体上的硅）可以实现更紧密的限制，但需要特定的几何或材料解决方案才能将足够的光学能量引入传感区域[45,46]。这些权衡突显了光子设计与表面灵敏度之间的内在关系，这是所有集成光子传感平台的基础。
表面存在功能化层引入了超出折射率变化检测之外的复杂性。纳米级表面粗糙度可能会引入散射损耗，从而降低信噪比，特别是在具有高质量因数的共振器件中[47]。化学异质性和非均匀的功能层覆盖会导致空间变化的扰动，使共振变宽并降低测量精度[48,49]。表面涂层的厚度和光学性质进一步改变了模式分布，如果设计不当，可能会使有效传感区域偏离目标分析物[50,51]。因此，传感界面既充当了转换介质，也可能是光学退化的潜在来源[52]。
表面敏感性光子传感器的时间响应也受界面现象的控制[53]。分析物向表面的传输动力学、吸附和脱附速率以及通过功能层的扩散都会影响响应时间和恢复行为[54]。虽然光子结构可以在超快时间尺度上响应，但整体传感器动态通常受到表面过程的限制，而不是光学读出。这种区别强调了界面设计不仅对灵敏度和选择性重要，也对实现与应用相关的响应速度至关重要。
噪声和稳定性考虑进一步强调了界面的作用[55]。温度、湿度和非特异性吸附事件的波动可能会在衰减场区域内引入虚假的折射率变化[56]。这些效应在高度表面敏感的配置中会被放大，导致基线漂移和长期可靠性降低[57,58]。因此，理解光学限制、表面相互作用强度和环境敏感性之间的相互作用对于解释传感器信号和设计缓解策略至关重要[59]。总的来说，基于表面敏感性的集成光子传感的基本原理表明，器件性能源于一个强耦合的系统，其中必须同时考虑引导光学模式的光学特性和工程化界面处的过程。光学灵敏度源于场传播特性对物质属性的依赖性，而实际传感性能则受到光损耗、噪声源和界面稳定性的限制[60,61,62]。这一概念框架为评估旨在增强光与物质相互作用同时保持光学完整性的表面和界面工程策略奠定了基础，为本综述的后续部分奠定了基础。

3. 表面与界面工程策略
表面功能化是赋予集成光子传感器化学选择性和提高灵敏度的核心策略[63]。这通常通过工程化的界面层实现，例如自组装单层、聚合物刷、水凝胶和固定的生物分子受体，这些层为目标分析物引入了特定的结合位点。在这些界面发生的分子识别事件通过引导模式中的局部折射率变化、光学吸收或散射转化为光学信号[64]。因此，功能层的厚度控制、化学稳定性和横向均匀性直接影响传感器的重复性、基线稳定性以及设备间的差异性。关于硅光子生物传感器的综述强调，降解、膨胀和表面覆盖不完全会导致漂移和滞后现象，这促使人们使用在操作、再生和储存条件下仍能保持稳定的表面化学物质[65,66]。除了传统的有机和生物分子涂层外，二维材料作为一种多功能工程界面，已广泛应用于光子传感平台[67,68,69]。它们的原子级厚度、高表面积与体积比以及强大的光-物质相互作用使得传感机制超越了折射率变化的表征，包括电荷转移、光学吸收的调制和增强的表面吸附。文中还介绍了将自下而上合成的纳米多孔石墨烯集成到氮化硅双模波导干涉生物传感器上用于检测C反应蛋白的方法[70]。图3a-d特别具有指导意义，因为它们将界面工程与实际实现和质量控制联系起来。图3a示意性地展示了将纳米多孔石墨烯放置在传感区域的过程，说明了这种二维材料是如何作为受控步骤而不是事后涂层被整合进去的。图3b显示了集成后立即在波导设备上形成的均匀薄膜，支持了传感界面必须在光学相互作用区域横向连续的核心要求。去除辅助金层后，图3c利用光学显微镜验证了覆盖情况，并识别出光子表面的任何未涂层区域，从而将界面完整性直接与预期的设备间重复性联系起来。最后，图3d提供了在不同阶段获取的拉曼光谱，确认了纳米多孔石墨烯的特征在处理过程中得以保留，并在转移后仍然存在于光子芯片上。这些数据共同定义了可靠的光子集成界面工程的基本要求[70]。

此外，结合二维材料与聚合物、氧化物或自组装单层的混合界面为调整表面化学性质、机械完整性和环境稳定性提供了额外的灵活性，从而扩展了光子传感器的设计空间[71,72]。更广泛地说，表面和界面工程通过多种通常相互竞争的物理机制影响集成光子传感器的性能。除了提高传感选择性外，功能层和先进界面还可以改变光学损耗、噪声特性、长期稳定性和制造引起的差异性[73]。由于这些效应强烈依赖于所选的界面策略和潜在的光子架构，因此通过表面改性实现的性能提升可能会在其他指标上引入权衡。表1总结了常用表面和界面工程方法的主要传感机制、性能优势及其相关限制，说明了需要共同优化界面设计和光子架构以实现稳健且可扩展的传感性能。

虽然表1总结了主要的界面工程策略及其定性权衡，但更严格的比较需要考虑不同研究中报告的定量性能影响。特别是，必须评估界面工程对灵敏度的效应以及相应的光学损耗和噪声增加。例如，自组装单层（SAMs）的厚度通常低于2-3纳米，引入的额外传播损耗可以忽略不计（<0.1-0.5 dB/cm），同时实现了选择性结合，但其对灵敏度提升的贡献受到小相互作用体积的限制。相比之下，聚合物和水凝胶涂层可以将有效分析物相互作用厚度增加一到两个数量级，通常导致灵敏度提高2-10倍，但代价是增加了吸收和散射损耗，这可能会根据厚度和材料组成超过几个dB/cm。类似地，原子层沉积（ALD）氧化物覆盖层主要作用于降低表面粗糙度和散射损耗，在优化系统中报告的传播损耗减少了一个数量级以上，尽管这通常伴随着由于衰减场重叠减少而导致的表面灵敏度下降。二维材料和混合界面引入了额外的转换机制，如电荷转移和增强吸附，这可能导致灵敏度提升超出纯基于折射率的检测；然而，这些收益经常被增加的光学吸收和与材料转移及缺陷密度相关的变异性所抵消。

除了个别性能指标外，区分这些方法的技术成熟度和可扩展性也很重要。基于SAMs和ALD的界面通常与CMOS制造和晶圆级加工兼容，适用于可扩展的传感器平台。聚合物涂层和水凝胶层被广泛使用，提供高灵敏度，但其长期稳定性和重复性仍取决于应用。相比之下，基于二维材料和复杂混合结构的界面仍处于概念验证阶段，其中与均匀性、转移引起的缺陷和工艺集成相关的挑战限制了它们的可扩展性。这种比较表明，不能仅从灵敏度提升的角度来评估给定界面策略的有效性，而必须通过包括光学损耗、噪声、稳定性和可制造性在内的多参数框架进行评估。这种视角使得能够更现实地评估哪些方法适合实际部署，哪些仍主要是探索性的。

基于抗体的表面功能化是将集成光子传感器转化为实际生物传感平台的最成熟途径之一，特别是在临床相关的蛋白质生物标志物和液体活检应用中[85]。在这些系统中，固定在传感表面的抗体提供选择性识别，而光学信号则是通过扰动波导、共振、等离子体或超表面结构中的衰减场产生的。代表性的实现包括用于检测人血清白蛋白的微环谐振器免疫传感器[86]，使用固定在共聚物层上的抗体进行多重标记物检测的多路复用环谐振器平台[87]，用于检测甲状腺球蛋白的光纤局域表面等离子体共振免疫测定[88]，用于IgG检测的槽辅助超表面[89]，以及用于高分辨率近场生物传感的介电光栅平台[90]。从界面工程的角度来看，抗体功能化引入了一组不同于通用有机或聚合物涂层的设计约束。抗体层比自组装单层厚得多，因此占据了衰减场衰减长度的不可忽视的部分，因此它们的厚度、堆积密度和取向直接影响与目标结合区域的模式重叠，即使提高了捕获特异性，也可能部分稀释表面灵敏度[86]。这种权衡在共振和近场增强设备中尤为相关，因为额外的生物层厚度和界面不均匀性还会增加光学损耗、拓宽光谱特征或降低读出对比度[86,90]。因此，抗体功能化的实际价值不仅取决于识别特异性，还取决于固定化学如何保持受体活性和控制界面均匀性。在光子生物传感器中，常用的策略包括氧化物表面激活和硅烷化后进行共价连接，以及聚合物辅助的抗体固定和其他旨在提高受体密度和检测稳健性的方案[87,91]。这些方法可以提高分析性能，但也带来了熟悉的界面相关挑战，包括固定过程中的变性、再生条件下的降解、非特异性吸附以及在临床相关介质中的长期稳定性降低[85]。

总的来说，这些研究表明，基于抗体的生物功能化应被视为一种独特的界面工程机制，而不是“生物分子受体”的通用子类。对于集成光子传感器而言，性能取决于固定化学、生物层厚度、受体可及性和光学模式限制的综合优化，而这正是特异性、灵敏度、光学损耗和时间稳定性之间权衡最为关键的地方[85,86,87]。

在光子传感器中，界面集成最终受到工艺兼容性的限制，因为必须支持选择性化学作用的同一表面还必须能够承受晶圆级微制造、封装和流体处理[92,93]。表2强调了最强烈将表面工程与光子传感器的光学性能、产量和可扩展性联系起来的界面集成过程，强调了与制造相关的约束而不是特定应用的化学性质。实际上，工程化界面是通过多种技术引入的，如氧等离子体或UV臭氧激活、在SiO2或Si3N4上的硅烷化、通过旋涂进行聚合物沉积，以及通过物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积来生长薄膜[94,95]。每个步骤不仅改变了表面化学性质，还通过增加的吸收、应力引起的裂纹和厚度不均匀性改变了光学性能，后者会改变模式限制并增加散射损耗。除了厚度和粗糙度效应外，制造引起的界面特性（如表面损伤、污染和工艺变异性）也会显著影响光子器件的性能[96]。等离子体暴露、蚀刻过程和光刻图案化可能会引入缺陷、悬挂键和表面状态，增加光学吸收和散射，同时还会改变吸附行为和长期稳定性[97]。来自光刻胶、转移过程或化学处理的残留污染物可能会进一步改变局部折射率并引入不受控制的光学损耗，特别是在对表面敏感的配置中[98]。此外，晶圆级别的工艺引起的变异性，包括表面激活的不均匀性、功能层覆盖不完全和界面质量的空间波动，可能导致传感器之间的灵敏度、噪声特性和基线漂移的显著差异。这些效应表明，界面特性不仅由有意的表面工程定义，还受到制造历史的强烈影响，需要工艺控制和界面感知的计量学来确保光子传感器的可重复性[99,100]。

对于超表面敏感的设备，功能层厚度或表面粗糙度的纳米级变化可以显著拓宽共振并降低品质因数，从而在化学处理窗口和光子性能指标之间形成紧密耦合[101]。这种耦合可以通过考虑纳米级界面属性的变化如何传播到传感可观测量来进一步理解。例如，功能层厚度的±1纳米变化会改变引导模式的有效折射率，导致共振传感器中共振波长的可测量不确定性以及干涉配置中的相位波动。在高Q值谐振器中，这种变化产生的共振位移可能与固有线宽相当或超过固有线宽，从而由于线宽和噪声之间的耦合而降低可实现的检测限（LOD）[102]。同样，在干涉系统中，有效指数的小变化会在相互作用长度上累积并表现为相位噪声，导致基线波动和长期漂移。这些效应表明，制造引起的变异性不仅影响光学损耗，还直接设定了传感指标（如LOD、信噪比和时间稳定性）的不确定性下限。此外，还需要区分实验室级别的可重复性和工厂级别的可重复性。实验室演示通常依赖于受控的小批量处理条件，其中表面功能化和界面质量可以为单个设备进行优化。相比之下，晶圆级制造引入了额外的变异性来源，包括晶圆上的空间不均匀性、批次间的工艺漂移以及表面激活和层沉积的统计波动。因此，工厂级别的传感性能变异性通常由工艺引起的界面属性分散所主导，而不是由设备本身的设计决定，这突显了需要耐工艺的界面策略和标准化计量学以实现大规模部署。

抗体制剂表面功能化是将集成光子传感器转化为实际生物传感平台的最成熟方法之一，特别是在临床相关的蛋白质生物标志物和液体活检应用中[85]。在这些系统中，固定在传感表面的抗体提供选择性识别，而光学信号则是通过扰动波导、共振、等离子体或超表面结构中的衰减场产生的。代表性的实现包括用于检测人血清白蛋白的微环谐振器免疫传感器[86]，使用固定在共聚物层上的抗体进行多重标记物检测的多路复用环谐振器平台[87]，用于检测甲状腺球蛋白的光纤局域表面等离子体共振免疫测定[88]，用于IgG检测的槽辅助超表面[89]，以及用于高分辨率近场生物传感的介电光栅平台[90]。从界面工程的角度来看，抗体功能化引入了一组不同于通用有机或聚合物涂层的独特设计约束。抗体层比自组装单层厚得多，因此占据了衰减场衰减长度的不可忽视的部分，所以它们的厚度、堆积密度和取向直接影响与目标结合区域的模式重叠，即使提高了捕获特异性，也可能部分稀释表面灵敏度[86]。这种权衡在共振和近场增强设备中尤其相关，因为额外的生物层厚度和界面不均匀性还会增加光学损耗、拓宽光谱特征或降低读出对比度[86,90]。

因此，抗体功能化的实际价值不仅取决于识别特异性，还取决于固定化学如何保持受体活性和控制界面均匀性。在光子生物传感器中，常用的策略包括氧化物表面激活和硅烷化后进行共价连接，以及聚合物辅助的抗体固定和其他旨在提高受体密度和检测稳健性的方案[87,91]。这些方法可以改善分析性能，但也带来了熟悉的界面相关挑战，包括固定过程中的变性、再生条件下的降解、非特异性吸附以及在临床相关介质中的长期稳定性降低[85]。综上所述，这些研究表明，基于抗体的生物功能化应被视为一种独特的界面工程机制，而不是“生物分子受体”的通用子类。对于集成光子传感器，性能取决于固定化学、生物层厚度、受体可及性和光学模式限制的综合优化，而这正是特异性、灵敏度、光学损耗和时间稳定性之间权衡最为关键的地方[85,86,87]。

4. 集成和制造考虑

光子传感器中的界面集成最终受到工艺兼容性的限制，因为必须支持选择性化学作用的同一表面还必须能够承受晶圆级微制造、封装和流体处理[92,93]。表2强调了最强烈将表面工程与光子传感器的光学性能、产量和可扩展性联系起来的界面集成过程，强调了与制造相关的约束而不是特定应用的化学性质。实际上，工程化界面是通过多种技术引入的，如氧等离子体或UV臭氧激活、在SiO2或Si3N4上的硅烷化、通过旋涂进行聚合物沉积，以及通过物理气相沉积、化学气相沉积或原子层沉积来生长薄膜[94,95]。每个步骤不仅改变了表面化学性质，还通过增加的吸收、应力引起的裂纹和厚度不均匀性改变了光学性能，后者会改变模式限制并增加散射损耗。除了厚度和粗糙度效应外，制造引起的界面特性（如表面损伤、污染和工艺变异性）也会显著影响光子器件的性能[96]。等离子体暴露、蚀刻过程和光刻图案化可能会引入缺陷、悬挂键和表面状态，增加光学吸收和散射，同时还会改变吸附行为和长期稳定性[97]。来自光刻胶、转移过程或化学处理的残留污染物可能会进一步改变局部折射率并引入不受控制的光学损耗，特别是在对表面敏感的配置中[98]。此外，晶圆级别的工艺引起的变异性，包括表面激活的不均匀性、功能层覆盖不完全和界面质量的空间波动，可能导致传感器之间的灵敏度、噪声特性和基线漂移的显著差异。这些效应表明，界面特性不仅由有意的表面工程定义，还受到制造历史的强烈影响，需要工艺控制和界面感知的计量学来确保光子传感器的可重复性[99,100]。

对于超表面敏感的设备，功能层厚度或表面粗糙度的纳米级变化可以显著拓宽共振并降低品质因数，从而在化学处理窗口和光子性能指标之间形成紧密耦合[101]。这种耦合可以通过考虑纳米级界面属性的变化如何传播到传感可观测量来进一步理解。例如，功能层厚度的±1纳米变化会改变引导模式的有效折射率，导致共振传感器中共振波长的可测量不确定性以及干涉配置中的相位波动。在高Q值谐振器中，这种变化产生的共振位移可能与固有线宽相当或超过固有线宽，从而由于线宽和噪声之间的耦合而降低可实现的检测限（LOD）[102]。同样，在干涉系统中，有效指数的小变化会在相互作用长度上累积并表现为相位噪声，导致基线波动和长期漂移。这些效应表明，制造引起的变异性不仅影响光学损耗，还直接设定了传感指标（如LOD、信噪比和时间稳定性）的不确定性下限。

区分实验室级别的可重复性和工厂级别的可重复性也很重要。实验室演示通常依赖于受控的小批量处理条件，其中表面功能化和界面质量可以为单个设备进行优化。相比之下，晶圆级制造引入了额外的变异性来源，包括晶圆上的空间不均匀性、批次间的工艺漂移以及表面激活和层沉积的统计波动。因此，工厂级别的传感性能变异性通常由工艺引起的界面属性分散所主导，而不是由设备本身的设计决定，这突显了需要耐工艺的界面策略和标准化计量学以实现大规模部署。这种对制造引起的表面质量的敏感性进一步通过新兴的添加制造方法（如双光子聚合（TPP）得到了强调，该方法能够以亚微米分辨率实现复杂微光子和纳米光子结构的三维制造，为集成光学、微谐振器和自由形波导几何形状提供了新的机会[103]。然而，逐层聚合过程和基于体素的曝光本质上引入了纳米级表面粗糙度和结构不均匀性，这可能会显著增加光子器件的光学散射损耗并降低品质因数[104,105]。与平面CMOS兼容的制造不同，其中可以通过优化的沉积和蚀刻将界面粗糙度降到最低，TPP制造的结构通常需要额外的后处理步骤，如热回流、化学平滑或共形涂层来改善光学性能。这些挑战表明，尽管TPP在几何上具有灵活性，但它仍然受到界面引起的光学损耗的强烈限制，这进一步强调了制造引起的表面质量是决定光子器件性能的主要因素。

在平面CMOS兼容的平台上，这种耦合通过Khanna等人的实验得到了说明，他们使用原子层沉积Al2O3覆盖层来钝化在CMOS生产线制造的Si3N4波导[106]。如图4a和b所示，ALD涂层前后进行的光强度衰减测量显示，传播损耗显著降低，这直接证明了纳米级界面平滑处理与光学性能提升之间的联系。结果表明，旨在实现表面稳定化或功能化的界面工程步骤可以主导器件的损耗和重复性，从而强调了需要通过计量学手段来控制薄膜厚度、折射率、粗糙度以及污染程度，同时还需要优化制造流程，以减少光刻胶和转移介质留下的残留物[106]。图4：(a,b) 通过光栅耦合器激发的氮化硅条形波导的光学显微镜图像，以及用于量化传播损耗的光强度分布图。未涂层的空气包覆波导显示出大约60 dB/cm的极高衰减，而在原子层沉积40 nm Al2O3层后，其损耗显著降低至约6 dB/cm。这一对比突显了纳米级界面工程对光学性能的强大影响[106]。可制造性还取决于后制造步骤与光刻和封装过程的相互作用[107]。溶剂、显影剂和剥离化学物质可能会破坏生物功能层，而提高润湿性的等离子体清洗也可能改变表面特性并引入电荷陷阱，从而影响吸附行为和漂移。同样，集成微流控技术会带来额外的约束，包括键合强度、死体积和对准公差，同时需要保持光学访问并保护功能化区域免受热和机械损伤[108]。晶圆级集成方法越来越受到青睐，因为它们可以减少器件间的差异并实现并行化，但需要采用与标准生产线兼容的化学处理和沉积方法[109]。总体而言，这些研究表明表面界面与制造和封装过程紧密相关，受到热影响、溶剂兼容性和等离子体暴露等限制因素的制约[79,93,110,111]。因此，长期稳定性、产量和校准性能往往受到表面制备和集成过程中引入的限制因素的影响，而不仅仅是传感机制本身的影响。具体例子说明了这些限制和解决方案。Errando-Herranz等人展示了一种将聚合物微流控技术与光栅耦合的硅光子传感器集成在晶圆级别的方法，并解决了与生物功能化表面的牢固键合问题[112]。如图5a所示，他们的方法结合了光图案化的光学和流体通道以及非化学计量的硫醇-烯类聚合物中的模制微通道，实现了光子元件与微流体接口之间的精确对齐，同时保持了表面化学性质。该图强调了封装和流体处理是可扩展生物传感的主要瓶颈，表明光学性能、界面功能化和机械组装必须共同设计，而不能视为独立步骤[112]。Henriksson等人回顾了使用坚固的Si–C键合中间层对无氧化物硅进行功能化的策略，这在硅表面用作化学接口且需要长期稳定性的情况下尤为重要[113]。Steglich等人研究了绝缘体上的硅环谐振器生物传感器，并讨论了实际器件性能如何受到制造公差、损耗机制和表面制备的影响，进一步强调了界面过程必须与谐振器性能目标共同设计[114]。图5：(a) 晶圆级微流控与光子传感器芯片集成的示意图。使用带有金属特征的图案化玻璃掩模和光刻胶浮雕结构作为联合光刻和模制模板。二次弹性体模具定义了芯片边缘和流体连接。经过紫外光聚合、显影和与光子基底的干式键合后，组装好的设备形成了一个紧凑的光流控传感平台[112]。(b) 使用CMOS兼容的薄膜沉积技术制造的集成Al2O3光子波导的横截面图，显示了分层波导堆叠和包层结构[115]。(c) Al2O3波导横截面的SEM图像，标称厚度为110 nm，关键尺寸为150 nm，突出了侧壁定义和界面质量[115]。在晶圆制造规模上，Neutens等人报告了在200 mm CMOS生产线上制造的低损耗Al2O3波导[115]。图5b展示了晶圆级层堆叠和波导横截面，强调了共形薄膜沉积、精确厚度控制和光滑界面对于实现低光学损耗和可重复的模式限制的重要性。图5c进一步证明了整个晶圆的均匀性和产量，强调了界面粗糙度、薄膜应力和工艺变异性对于制造相关传感平台的重要性，而不仅仅是实验室规模的考虑因素。最后，将CVD石墨烯集成到氮化硅波导上的工作揭示了实际问题，如转移残留物、皱纹和额外的光吸收，这些问题与在传感波导上添加功能性二维层时遇到的挑战类似[80]。表2. 集成光子传感器的关键界面集成和制造考虑因素。5. 表面工程对传感器架构的影响表面和界面工程对集成光子传感器的影响本质上取决于具体架构，因为不同的光子配置需要平衡表面引起的扰动与不同的光学限制、传播损耗和信号转换机制[125]。表面修饰不仅引入了化学选择性；它还改变了波导-环境界面的电磁边界条件，从而改变了有效折射率、与分析物的模式重叠和光学损耗[126]。因此，相同的表面化学性质或功能层在基于波导、共振或干涉测量架构中的实现可能会导致显著不同的传感性能。5.1. 基于波导的传感器：表面重叠与传播损耗在直波导传感器中，传感信号源自衰减场区域内扰动引起的模式有效折射率的变化，而噪声底限主要由传播损耗和基线稳定性决定[46,127]。因此，表面涂层同时充当功能识别层和光学边界层，其厚度、折射率、粗糙度和吸收系数直接影响模式限制和衰减[128]。薄的低折射率界面（如硅烷层或自组装单层）通常能保持低光学损耗，同时保持表面敏感性。相比之下，较厚的聚合物涂层或纳米结构层可以提高分析物捕获效率，但往往会引入额外的吸收和散射。原子层沉积的氧化物中间层常用于提高表面均匀性和化学稳定性；然而，它们也可能将模式最大值从传感界面移开，导致表面敏感性部分减弱[117]。这些相互竞争的效果突显了在基于波导的传感器中仔细优化界面厚度和材料组成的必要性。一个典型的例子是溶胶-凝胶波导传感器，其中使用UV光刻和直接激光写入技术制造了混合TiO2-SiO2核心，以实现大面积的低损耗光引导[129]。如图6a所示，暴露的TiO2-SiO2核心与外部环境的相互作用增加，但仍容易受到表面引起的散射和环境扰动的影响。如图6b所示，将核心封装在ZrO2-SiO2包层中，可以将光学模式从界面移开，减少衰减场重叠，同时显著抑制传播损耗并提高机械和热稳定性，这与图6c中观察到的引导输出一致[129]。图6. 在玻璃基底上制造的溶胶-凝胶波导配置的示意图和实验视图。图(a)显示了直接暴露于周围介质的TiO2–SiO2波导核心，而图(b)展示了同一核心嵌入在作为保护包层的ZrO2–SiO2覆盖层中。图(c)展示了埋藏波导输出端观察到的引导光学模式，证实了封装结构中的高效光限制[129]。槽波导和暴露核心的几何结构代表了增强表面相互作用的另一个极端[130]。通过将大部分光能集中在低折射率区域，这些架构实现了与分析物的强衰减场重叠，但对界面缺陷非常敏感[131]。涂层厚度或粗糙度的纳米级变化可能会导致显著的额外损耗和光谱噪声，因此需要密切结合表面工程和制造控制[132]。5.2. 共振架构：表面敏感性受品质因数限制共振光子传感器，包括微环谐振器和光子晶体腔[133]，通过高品质因数和强场局域化放大表面引起的扰动，能够检测到极小的折射率变化或分子结合事件，使得这些架构非常适合表面工程传感[121,134]。同时，它们的性能从根本上受到表面和界面质量的限制，因为即使是最小的附加损耗也会在高Q值器件中主导总腔体线宽[135]。实验研究表明，纳米级表面粗糙度和界面缺陷会引入额外的散射损耗，使共振变宽并降低可实现的质量因数[136]。对采用不同侧壁处理的硅微环谐振器的系统研究显示，未经处理的界面表现出明显的粗糙度，而抗蚀剂回流和随后的热氧化逐渐平滑了侧壁，如图7所示。图7. 使用基于模具的工艺制造的聚合物微环谐振器侧壁的扫描电子显微镜图像，展示了不同后制造处理对界面平滑度的影响。左上角的图像显示了未经抗蚀剂回流的侧壁，左下角对应于经过抗蚀剂回流后的器件，右图显示了通过抗蚀剂回流和随后的热氧化结合进一步平滑的表面[136]。这些结构改进直接转化为散射损耗的减少和显著更窄的共振线宽，证实了表面和界面质量（而不仅仅是谐振器几何形状）通常是Q值的主要限制因素。这些发现强调了如果功能层、生物分子膜或纳米材料涂层引入吸收、折射率不均匀性或空间非均匀性，可能会迅速降低共振性能，可能导致共振分裂和光谱噪声增加[136]。因此，有效的表面工程需要超薄且高度均匀的功能层、可控的受体密度，并选择性地修改高模式重叠区域，同时钝化非传感区域，从而在不损害光学相干性和检测精度的情况下提高表面敏感性。5.3. 干涉测量传感器：基于相位的抗界面诱导损耗能力干涉测量架构，如Mach–Zehnder[137]和双模波导干涉仪[70,138]，将表面扰动转换为光学相位差，而不是依赖于狭窄的共振特征。在这些器件中，由表面修饰或分析物结合在传感臂中引起的折射率变化会产生相对于参考臂的相位延迟，该延迟在输出端转换为可测量的强度调制。这种工作原理使得干涉测量传感器对传播损耗的适度增加更具容忍度[83]。因此，它们在表面工程方面提供了更大的灵活性，允许使用较厚的功能层、多孔涂层或混合界面，而不会严重降低读出精度[139]。这种行为已在氮化硅平台上制造的不对称Mach–Zehnder干涉生物传感器中得到实验验证，其中传感臂被局部暴露并用抗体片段进行化学功能化以实现特定分子识别[140]。在这些系统中，表面修饰是通过硅烷化暴露的波导区域然后固定Fab′片段来实现的，从而实现选择性的分析物结合，同时保持稳定的干涉测量操作。传感信号来自毫米级相互作用长度上的相位积累，而不是来自强光学限制或狭窄的光谱特征，即使存在额外的表面层，也能高精度地检测到由生物分子结合引起的折射率变化。在连续液体流动条件下进行的实时测量显示了稳定和可重复的相位响应，证实了干涉测量读出即使在引入功能化界面和适度光学衰减的情况下仍然稳健。这些特性突显了干涉测量架构适用于复杂表面化学和长期生物传感应用，其中表面功能化、再生和环境波动是不可避免的。图8展示了一个代表性的功能化不对称Mach–Zehnder干涉测量传感器架构。示意图显示了集成在单个芯片上的多个干涉仪，每个干涉仪的一个臂通过传感窗口局部暴露，以实现与周围液体环境的衰减场相互作用，而参考臂则完全包覆，以提供稳定的光学基线。使用紧凑的螺旋几何形状实现的延长传感臂长度允许累积相位积累，从而在不依赖高Q值共振的情况下提高敏感性。插图照片突出了干涉测量平台的紧凑尺寸和可扩展性，强调了其与集成微流控和平行传感的兼容性。总体而言，该架构和实验配置展示了基于相位的干涉测量检测如何在保持对功能化光子传感器中界面诱导的光学损耗的容忍度的同时实现强大的表面敏感传感[140]。插图展示了一个制造好的芯片的光学照片，其中包含了一枚一欧分硬币以指示物理比例。该设备在单个芯片上集成了八个非对称的马赫-曾德尔干涉仪[140]。5.4. 表面工程实现的从等离子体到介电结构的转变配体与膜蛋白的相互作用是许多生物功能和治疗机制的基础，因此对其定量表征对于药物发现和生物医学研究至关重要[141,142]。在无标记光学技术中，表面等离子体共振因其高表面敏感性、实时操作能力以及与复杂生物环境的兼容性而被广泛用于探测界面上的分子结合动力学[143,144]。尽管具有这些优势，传统的SPR依赖于贵金属薄膜（最常见的是金）中的等离子体激发，但这引入了内在的结构限制，包括显著的光学吸收损失、荧光淬灭以及与活细胞和多模光学测量的兼容性受限[36]。这些材料限制可能会阻碍涉及膜蛋白和单细胞分析的应用。为了解决这些问题，基于介电波导的表面敏感方法已被开发出来作为传统SPR平台的替代品或扩展[36]。通过在标准SPR传感器基底上使用可扩展的薄膜沉积方法引入额外的介电层，可以支持保持强表面限制的引导波导模式，同时用二氧化硅等对生物友好的材料替换金属界面。这种修改保留了SPR的基本优势，同时提高了与细胞系统的兼容性，并减少了与金属吸收相关的不良光学损失[36]。基于介电波导的传感结构通常比等离子体结构具有更窄的共振特征和更强的表面电场[145]，从而提高了灵敏度和测量精度[36]。当与振幅调制或相位调制等先进的信号处理方案结合使用时，这些平台在相同的光学探测条件下可以显著优于传统的SPR[146]。由此带来的精度提升使得能够在单个细胞水平上进行测量，有助于研究配体结合行为的细胞间差异，这一现象越来越被认为是治疗抗性的一个因素[36]。从结构角度来看，将表面敏感的介电波导模式集成到受SPR启发的平台中，展示了表面和界面工程如何将表面敏感性与金属界面带来的基本限制解耦，从而扩展了无标记生物传感技术在需要高精度、生物相容性和与活细胞分析兼容性的生物和药物研究中的应用范围[36]。为了提供一个统一的视角，上述讨论的架构依赖效应在这里使用一组共同的性能指标进行比较，包括表面敏感性、对光学损失的容忍度、对功能层的鲁棒性以及可扩展性。虽然基于波导的传感器在灵敏度和损失之间提供了平衡的折中，但由于强烈的场限制，共振结构实现了最高的灵敏度，但仍然容易受到界面诱导的散射和吸收的影响。相比之下，干涉仪传感器依赖于在延长的相互作用长度上的相位积累，从而对传播损失和功能层具有更大的容忍度，尽管占地面积增加并且对环境相位噪声更敏感。这种比较明确了没有一种单一的架构是普遍最优的，表面和界面工程的有效性必须在特定于架构的性能折中中进行评估。6. 性能基准测试和权衡标准化表面和界面工程光子传感器的评估需要采用反映内在光学转换和实际测量条件的性能指标。传统上对体敏感性和检测限（LOD）的报道常常混淆了设备规模、探测方案和读出噪声，使得跨平台比较不可靠。最近对集成光子技术的评论强调了通过相互作用长度或光学损失来标准化灵敏度的重要性，以隔离界面设计对设备性能的影响，特别是在波导、干涉仪和谐振器中，其中功能层会改变传播特性和模式限制[147]。此外，将LOD与质量因素和噪声特性（例如基于在指定统计置信度下可区分的信号变化来定义LOD）联系起来的分析方法，为在不同操作条件下比较设备提供了更坚实的基础，不受几何形状或探测协议的影响。这些标准化的性能指标有助于明确改进是由于真正的界面贡献还是由于设备占地面积或光功率的变化。在基准测试工程光子传感器时，一个核心挑战是在增强的表面相互作用与功能涂层和纳米结构引入的有害光学效应之间取得平衡。虽然增加的消逝场重叠或高折射率对比层可以提高名义灵敏度，但它们通常会引入额外的吸收和散射，从而增加背景噪声并拓宽共振线宽，降低实际的可检测性和重复性[64]。对先进传感器设计的详细分析强调，这些权衡对于实际性能至关重要，特别是在稳定性和重复性对于在受控实验室环境之外部署至关重要的情况下。例如，在光子晶体和耳语走廊模式平台中，环境漂移和机械扰动可能会主导测量噪声，即使内在灵敏度很高，这也表明仅靠高质量因素并不能保证在实际使用中的低LOD。因此，全面的基准测试包括时间稳定性指标、相关时间尺度上的噪声表征以及操作条件的明确报告，以便可靠地识别出真正带来性能改进的界面策略。为了整合这些考虑并提供当前基准测试实践的结构化概述，表3总结了常用的性能指标及其关键限制和推荐的标准化或噪声感知的替代方案。该表强调了不同的性能指标如何捕捉传感器性能的互补方面，包括灵敏度增强、光学退化、噪声行为和时间稳定性。通过明确将每个指标与代表性的开放获取研究联系起来，比较明确了表面和界面工程如何影响转换效率和实际可检测性，并为评估不同光子传感平台之间的权衡提供了统一的框架。表3. 表面和界面工程光子传感器的比较基准测试指标和权衡。虽然上述指标为性能基准测试提供了概念框架，但其实际实施需要明确的实验程序，并且可能会显著影响报告的传感器性能的解释。例如，两个具有相似体敏感性的传感器在考虑光学损失和噪声时可能会表现出明显不同的实际可检测性。一个名义灵敏度较高但传播损失较大的设备最终可能会产生较低的有效信噪比，导致比低损失配置更差的噪声限制LOD。在这种情况下，如按光学损失标准化的灵敏度等指标为跨平台比较提供了更物理意义上的基础。从实验角度来看，噪声限制的LOD应该从实际操作条件下的可测量基线波动来确定，而不仅仅是从灵敏度推断出来的。这需要在没有分析物的情况下对传感器输出进行时间序列采集，以评估基线信号的标准差。平均时间的选择至关重要，因为短的平均间隔主要捕获高频噪声，而较长的时间尺度则揭示了直接影响实际检测限制的低频漂移和环境波动。时间稳定性可以使用Allan偏差分析来量化，该分析评估了作为平均时间函数的信噪方差，并能够识别主要的噪声机制，包括白噪声、闪烁噪声和漂移。这种分析直接定义了最佳积分时间，并为比较不同传感器平台的稳定性提供了统一的基础。7. 挑战和未解决的问题尽管在表面和界面工程方面取得了实质性进展，但几个实验记录的挑战仍然限制了集成光子传感器的可靠性和可扩展性。一个主要的未解决的问题是在连续光学探测和长时间暴露于水或化学复杂环境下的功能界面的长期物理化学稳定性[165,166,167]。研究表明，常用的硅烷基单层和聚合物涂层会逐渐发生水解、氧化和分子重排，其中烷氧基硅烷在微量环境湿气的作用下水解，随后凝结成不断演变的硅氧烷网络和部分相互连接的无机簇[168,169,170]。这种时间依赖的界面演变导致表面敏感光子传感器的有效折射率漂移和光学损失增加。在高表面灵敏度配置中，即使是亚纳米级的界面厚度或成分变化也会产生可测量的基线漂移和共振线宽增加，引发了关于表面工程光子传感器可实现长期精度的基本问题[101]。对于基于二维材料或混合有机-无机层的新兴界面，还出现了由缺陷介导的吸附、残余转移污染和环境掺杂效应等额外问题，这些效应会随着时间改变光学吸收和电荷传输路径，目前尚未得到充分理解[72,171]。跨设备和制造批次的可重复性是一个直接影响性能基准测试和可制造性的第二个关键挑战。实验报告一致表明，表面活化、功能层覆盖率和纳米级粗糙度的变化会导致即使是在同一晶圆上制造的名义上相同的光子架构在灵敏度、噪声底限和检测限方面也存在显著差异[172]。这种变异性在共振设备中更为明显，其中表面功能化的空间非均匀性会导致共振分裂、过度散射和设备特定的光谱特征，使得校准和比较变得复杂[135]。虽然晶圆级光子制造已经达到了很高的成熟度，但在表面功能化和界面计量学方面的同等标准化仍然缺乏[173,174]。因此，关于如何实现工艺容忍的界面化学、开发能够将界面属性与光学性能相关联的原位诊断方法，以及定义与试产线和制造线规模制造兼容的可重复表面工程协议，仍然存在未解决的问题。解决这些挑战对于将表面工程光子传感器从概念验证演示转变为定量可靠且适用于实际应用的传感平台至关重要。8. 前景和未来方向预计未来集成光子传感器的进步将越来越多地依赖于以界面为先的设计范式，在这种范式中，表面和界面属性与波导几何形状和材料平台被视为同等重要的设计变量[175,176,177]。新兴方法强调同时设计光学模式轮廓、场定位和界面组成[178]，而不是独立优化光子结构然后应用功能涂层。这种协同设计策略能够有意识地控制引导模式和工程界面之间的空间重叠，从而在提高灵敏度的同时最小化额外的光学损失并保持光谱相干性[179,180]。这种转变对于共振和干涉仪架构尤为重要，因为界面诱导的散射和吸收直接限制了可实现的质量因素和检测限。材料整合的进步也有望扩展光子传感器的功能设计空间[181]。结合二维材料、超薄氧化物和分子工程介电层的混合界面提供了在与消逝场衰减相当的长度尺度上定制折射率调制、表面吸附动力学和电荷传输相互作用的机会[30,171,182]。然而，在实践中实现这些好处将需要更好地控制界面均匀性、缺陷密度和环境稳定性，以及更深入地理解界面处的电子和化学过程如何与光学噪声和漂移耦合。同样重要的是在晶圆尺度上实现可扩展的制造和计量学方面的进步[183,184,185]。能够随时间关联界面属性与光学性能的原位和操作中的表征技术将在识别主导的退化和变异性机制方面发挥关键作用。同时，采用包含标准化灵敏度指标、噪声表征和长期稳定性评估的标准化基准测试协议对于跨平台比较界面策略至关重要[186]。这些发展将共同决定表面工程光子传感器是否可以从实验室演示转变为定量可靠且适用于实际应用的制造技术[187]。9. 结论表面和界面工程已成为集成光子传感器性能的核心决定因素，重新定义了在实际中如何实现灵敏度、选择性、稳定性和可扩展性。随着光子架构的成熟并接近光学限制和制造公差的极限，进一步的进步越来越依赖于控制引导光学模式与其环境相互作用的纳米尺度区域。本综述表明，传感界面不是一个被动的边界，而是一个控制光-物质相互作用强度、噪声行为和长期可靠性的主动元素。在这一区域的工程能够实现超越体折射率变化之外的传感机制，包括分子识别、吸附驱动的调制和电荷传输辅助的转换，同时引入了必须通过仔细的协同设计来管理的新约束。从这项工作中得出的一个关键见解是，表面敏感性的改进不能独立于光学退化和界面稳定性来评估。功能层、纳米材料和混合界面以高度依赖于架构的方式改变模式限制、传播损失和光谱响应。正如在共振和干涉测量平台上所展示的那样，相同的表面处理策略根据光场的分布和探测方式，可能会产生根本不同的性能结果。这些技术方面凸显了需要建立一种能够考虑界面相互作用长度、光损耗、噪声特性和时间漂移的基准测试框架，而不仅仅是依赖名义上的灵敏度指标。这种经过标准化的、考虑噪声影响的性能评估方法对于识别真正归因于界面工程的性能提升（而非设备几何形状或探测条件的变化）至关重要。该综述强调，长期稳定性和可重复性是实现表面工程光子传感器实际应用的关键障碍。功能性界面的化学演变、表面覆盖度的纳米级不均匀性，以及制造和集成过程中引入的变异性，都可能对传感器的性能产生长期影响。在高表面灵敏度和高品质因数设备中，这些效应会更加显著——即使界面性质的亚纳米级变化也可能导致可测量的漂移和光谱失真。应对这些挑战需要转向对工艺更宽容的界面化学设计、晶圆级功能化策略，以及能够原位关联界面性质与光学性能的计量技术。

展望未来，集成光子传感平台的持续发展将依赖于采用“以界面为核心”的设计理念，即将表面工程视为设备架构的固有组成部分，而不仅仅是制造后的修改措施。混合材料系统、可扩展的沉积技术以及标准化的性能评估方法的进步，对于将实验室成果转化为适用于实际环境的稳健传感技术至关重要。通过将表面化学、材料科学和光子工程整合到一个统一的框架中，未来的光子传感器不仅能够实现更高的灵敏度，还能够具备所需的稳定性、可重复性和可制造性，从而实现广泛的应用。