第38卷第3期 光学学报 Vol.38.No.3 2018年3月 ACTA OPTICA SINICA March.2018 光子晶体微纳传感技术的理论与实验研究进展 王超，孙富君，付中原，周健，丁兆祥，田慧平 北京邮电大学信息与通信工程学院信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876 摘要光子品体（C)微纳传感器具有体积小，易集成、响应时间快、控光能力强，可实现无标签检测以及设计灵 活等优点，在工业生产，海洋探测、生物医疗检测及环境监测等领域展现出巨大的应用前景。针对基于一维纳》 束PC与二维平板P℃的微纳光子传感技术，从传感器结构设计和传感性能提升方面，分析了当前国内外PC微 纳传感的关键理论和实险技术进展，并通过对比分析，探讨了C微纳传感技术在未来应用中所面临的挑战及未 来发展的趋势， 关键词传感器：光子品体：微纳传感：对比分析 中图分类号0436 文献标识码A doi:10.3788/A05201838.0328003 Research Progresses on Theory and Experiments of Photonic Crystal Micronano Sensing Technology Wang Chao,Sun Fujun,Fu Zhongyuan,Zhou Jian,Ding Zhaoxiang,Tian Huiping Abstract Due to the advantages of compact size.easy integration.fast response time.strong ability for light.detecting without lity in design.the photonic crysta (PC .As for the。 the key theories and experimental tech sses of pc micronano sensing at bome and abroad are analyzed from the aspects of structural design and sensoring performance improvement of sensors.Furthermore. with comparative analysis.the challenges and future development trend of PC micronano sensing technology in further on are discusse OC2010 290 ot 1引 言 制。PC由于具有体积小，控光能力强、设计灵活等 优点，在传感领域引起了广泛关注，尤其在近几年 随着科学技术的发展，人们对传感器性能的要 其研究重点从最初的基木原理和材料开发向芯片化 求越来越高。1978年，普林斯顿大学的John等 和多功能化等方向逐渐转变。 和Bell通信研究室的Yablo 等在研究材料 PC微纳传感技术作为 一种全新的传感器基础 中周期性电介质结构对光传播行为的影响时，几乎 技术，与传统的传感技术相比，具有响应时间短、体 在同一时间分别提出了光子品体(PC)的概念，提供 积小、易集成、抗干扰能力强以及可实现无标签检则 了一种全的控光机制不同于以往利用全反射 等优势。目前，国内外主要的PC传感器根据其应 式实现对光子的引导传输，PC通过周期性排列的电 用领域可分为温度传感器、生物传感器、湿度传感 介质形成光子带隙，以实现对光子传输的引导和控 器、化学传感器、气体传感器和压力传感器等，根据 收稿日期：2017-1026：收到修改稿日期：2017-12-0 基金项目：国家自 然科学基金(61372038.61431003)水下光网络联合实验室项目 作者简介：王超(199 ),男，博士研究生，主要从事光子晶体微钠传感方面的研究。E-mail:ofcoswang(@163.com 导师简介：田慧平(1976一 ),女，博士，教授，博士生导师，主要从事光子晶体微钠传感与光纤通信方面的研究。 E-mail:hptian@bupL,edu.cn(通信联系人) 0328003-1 1994-2018 China academic lournal electronic Publishing House all rights reserved http://www cnkinet
书 第３８卷 第３期 光 学 学 报 Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．３ ２０１８年３月 ＡＣＴＡＯＰＴＩＣＡＳＩＮＩＣＡ Ｍａｒｃｈ，２０１８ 光子晶体微纳传感技术的理论与实验研究进展 王超，孙富君，付中原，周健，丁兆祥，田慧平 北京邮电大学信息与通信工程学院信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 １００８７６ 摘要 光子晶体（ＰＣ）微纳传感器具有体积小、易集成、响 应 时 间 快、控 光 能 力 强、可实现无标签检测以及设计灵 活等优点，在工业生产、海洋探测、生物医疗检测及环境监测等领域展现出巨大的应用前景。针对基于一维纳米 束 ＰＣ与二维平板 ＰＣ的微纳光子传感技术，从传感器结构设计和传感性能提升方面，分析了当前国内外 ＰＣ微 纳传感的关键理论和实验技术进展，并通过对比分析，探讨了 ＰＣ微纳传感技术在未来应用中所面临的挑战及未 来发展的趋势。 关键词 传感器；光子晶体；微纳传感；对比分析 中图分类号 Ｏ４３６ 文献标识码 Ａ ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＯＳ２０１８３８．０３２８００３ ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｅｓｏｎＴｈｅｏｒｙａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｆＰｈｏｔｏｎｉｃ ＣｒｙｓｔａｌＭｉｃｒｏｎａｎｏＳｅｎｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＷａｎｇＣｈａｏ，ＳｕｎＦｕｊｕｎ，ＦｕＺｈｏｎｇｙｕａｎ，ＺｈｏｕＪｉａｎ，ＤｉｎｇＺｈａｏｘｉａｎｇ，ＴｉａｎＨｕｉｐｉｎｇ ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＰｈｏｔｏｎｉｃｓａｎｄＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００８７６，Ｃｈｉｎａ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｄｕｅｔｏｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｃｏｍｐａｃｔｓｉｚｅ，ｅａｓｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅ，ｓｔｒｏｎｇａｂｉｌｉｔｙｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ ｌｉｇｈｔ，ｄｅｔｅｃｔｉｎｇｗｉｔｈｏｕｔｌａｂｅｌ，ａｎｄｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙｉｎｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌ（ＰＣ ）ｍｉｃｒｏｎａｎｏｓｅｎｓｏｒｓｓｈｏｗｇｒｅａｔ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｏｆｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｏｃｅａｎｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ，ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｍｅｄｉｃｉｎｅｔｅｓｔｉｎｇ，ａｎｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｄｅｔｅｃｔｉｏｎ．Ａｓｆｏｒｔｈｅｏｎｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｎａｎｏｂｅａｍａｎｄｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｌａｂＰＣｓｅｎｓｏｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， ｔｈｅｋｅｙｔｈｅｏｒｉｅｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｔｅｃｈｎｉｑｕｅｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓｏｆＰＣ ｍｉｃｒｏｎａｎｏｓｅｎｓｉｎｇａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ ｆｒｏｍｔｈｅａｓｐｅｃｔｓｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｅｎｓｏｒｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｏｆｓｅｎｓｏｒｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｗｉｔｈ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓ，ｔｈｅｃｈａｌｌｅｎｇｅｓａｎｄｆｕｔｕｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆＰＣ ｍｉｃｒｏｎａｎｏｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｆｕｒｔｈｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｓｅｎｓｏｒｓ；ｐｈｏｔｏｎｉｃｃｒｙｓｔａｌｓ；ｍｉｃｒｏｎａｎｏｓｅｎｓｉｎｇ；ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓ ＯＣＩＳｃｏｄｅｓ ２８０．４７８８；２３０．５２９８；２６０．１１８０；２３０．００４０；２３０．３１２０ 收稿日期：２０１７－１０－２６；收到修改稿日期：２０１７－１２－０６ 基金项目：国家自然科学基金（６１３７２０３８，６１４３１００３）、水下光网络联合实验室项目 作者简介：王超（１９９０—），男，博士研究生，主要从事光子晶体微纳传感方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｏｆｃｏｓｗａｎｇ＠１６３．ｃｏｍ 导师简介：田慧平（１９７６—），女，博士，教授，博士生导师，主要从事光子晶体微纳传感与光纤通信方面的研究。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｐｔｉａｎ＠ｂｕｐｔ．ｅｄｕ．ｃｎ（通信联系人） １ 引 言 随着科学技术的发展，人们对传感器性能的要 求越来越 高。１９７８年，普 林斯 顿 大 学 的Ｊｏｈｎ等［１］ 和 Ｂｅｌｌ通信研究室的 Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃ等［２］在研究材料 中周期性电介质结构对光传播行为的影响时，几乎 在同一时间分别提出了光子晶体（ＰＣ）的概念，提供 了一种全新的控光机制。不同于以往利用全反射方 式实现对光子的引导传输，ＰＣ通过周期性排列的电 介质形成光子带隙，以实现对光子传输的引导和控 制。ＰＣ由于具有体积小、控光能力强、设计灵活等 优点，在传感领域引起了广泛关注，尤其在近几年， 其研究重点从最初的基本原理和材料开发向芯片化 和多功能化等方向逐渐转变。 ＰＣ微纳传感技术作为一种全新的传感器基础 技术，与传统的传感技术相比，具有响应时间短、体 积小、易集成、抗干扰能力强以及可实现无标签检测 等优势。目前，国 内 外 主 要 的 ＰＣ 传 感 器 根 据 其 应 用领域可分 为 温 度 传 感 器、生 物 传 感 器、湿 度 传 感 器、化学传感器、气体传感器和压力传感器等，根据 ０３２８００３－１
其结构特性主要可分为一维、二维、三维P℃传感器 表】提高纳米来腔Q值的实验研究 等。本文聚焦于近年来研究较多的基于一维纳米束 Table 1 Sudies for improvingQ factor value of obeam cavity PC和二维平板PC的微纳传感器，从结构设计与传 Reference Structure QResearch type 感性能提升的角度，综述了PC微纳传感关键技才 的理论和实验研究进展，并探讨了其未来应用发展 [3] 256 Experiment 所面临的挑战。 2一维纳米束PC传感关键技术及性能 [4] 102 Experiment 一维纳米束PC是介电常数只在一个方向上异 周期性变化的PC,基于其所设计的光学微腔具有品 质因子(Q)高，模式体积(V)低，结构简单、尺寸小等 [6] .49X1 Experiment 优点，常被用于传感器的设计。P℃微腔结构的光学 特性可以通过Q与V的比值（又称为珀塞尔因子）来 衡量，珀塞尔因子越高，光物反应越强烈，从而可使 [] 7.5X10 Experiment 光学传感器获得更高的分辨率和灵敏度。因此，设 计高品质因子和低模式体积的光学微腔对实现高性 [8] 01000000010 102 Experimen 能的PC微纳传感器非常重要。 高性能一维纳米束PC微腔的设计理念经历了 一个逐渐发展的研究过程，提高纳米束腔Q值的典 s840 型研究见表1.1997年，美国的的Foresi算)利用 P℃的光子带隙特性，通过在亚微米尺寸的硅波导 引入一排周期排列的孔，并调整中心孔的间距，形成 了0值为256.模式体积为0055m3的一维卫C钠 米束腔结构。之后，为了提高Q值，大量不同类型 的优化结构相被提出。其中，2004年，法的 Lalanne等)提出了两种可以提高PC纳米腔珀塞 尔因子的方法，第一种方法是通过调节腔的长度来 图1典型一维PC纳米束腔的结构及场图。 增强腔内反射，第二种方法是通过引入逐渐变化的 (a)介质模腔：(b)空气模腔：()槽结构腔 镜像来减小辐射损耗。这两种方法的提出对后续高 Fig.I Schematics and electric field distributions of several 性能微腔的设计具有重要借鉴意义。如2008年，日 ypical ID PC nanobeam cavities.(cavity 本电报电话公司(NTT)的Notomi等提出了 ·种 (b)air-mode cavity!](c)slot-based cavityo] 堆栈尺寸渐变的一维阶梯P℃结构，其Q值高达 2.1 基于介质模腔的一维纳米束PC传感技术 1×108.2009年.哈佛大学的Deotrae等[)提出了 一维纳米束P℃的介质模腔可将其光学模式主 种通过腔的长度，孔品格常数和半径渐变的结构来 要局域在高折射率区域，易于获得高Q值和低模式 提高Q值的方法。201年，哈佛大学的Qnn等 体积，因此其是研究较多的一种微腔类型。介质模 提出了一种高Q纳米束腔的确定性设计方法。此 纳米束腔通过樱纵能带的介质模能带边缘，将微路 后，得益于有效的设计方法及其高品质因子、低模 中心结构的介质带隙边缘局域到波导两侧孔的光子 式体积等优点，高性能 维纳米束PC微腔的设 带隙中，可使谐振模的光场主要局域在高折射率区 难度大大降低，因此其在P℃传感领域受到「泛 域，能带如图2所示，其中k为波矢大小相对于π/山 关注。 的归一化常量，为品格常数。具体的设计可从中心 一维纳米束腔按光的局域位置， 一般可分为介 到两侧逐渐减小孔的尺寸、增大品格常数等，本质上 质模腔、空气棋腔和槽腔，如图1所示。因光的局域 是从中心到两侧逐渐增大每个品胞的有效折射率 位置不同，其与物质相互作用的强度也不同，灵敏度 使光子带隙逐渐向低能级移动，从而使目标的谐振 也不同。 模位于光子带隙的边缘内侧 0328003-2 Hous All rights www.cnki.ne
光 学 学 报 其结构特性主要可分为一维、二维、三维 ＰＣ传感器 等。本文聚焦于近年来研究较多的基于一维纳米束 ＰＣ和二维平板 ＰＣ的微纳传感器，从结构设计与传 感性能提升的 角 度，综 述 了 ＰＣ 微 纳 传 感 关 键 技 术 的理论和实验研究进展，并探讨了其未来应用发展 所面临的挑战。 ２ 一维纳米束ＰＣ传感关键技术及性能 一维纳米束 ＰＣ是介电常数只在一个方向上呈 周期性变化的 ＰＣ，基于其所设计的光学微腔具有品 质因子（Ｑ）高、模式体积（Ｖ）低、结构简单、尺寸小等 优点，常被用于传感器的设计。ＰＣ微腔结构的光学 特性可以通过Ｑ与Ｖ的比值（又称为珀塞尔因子）来 衡量，珀塞尔因子越高，光物反应越强烈，从而可使 光学传感器获得更高的分辨率和灵敏度。因此，设 计高品质因子和低模式体积的光学微腔对实现高性 能的 ＰＣ微纳传感器非常重要。 高性能一维纳米束 ＰＣ微腔的设计理念经历了 一个逐渐发展的研究过程，提高纳米束腔 Ｑ值的典 型研究见表１。１９９７年，美国的的 Ｆｏｒｅｓｉ等［３］利用 ＰＣ的光子带隙特性，通过在亚微米尺寸的硅波导上 引入一排周期排列的孔，并调整中心孔的间距，形成 了Ｑ值为２５６、模式体积为０．０５５μｍ３的一维 ＰＣ纳 米束腔结构。之 后，为 了 提 高 Ｑ 值，大量不 同 类 型 的优化 结 构 相 继 被 提 出。其 中，２００４ 年，法 国 的 Ｌａｌａｎｎｅ等［４］提出了 两 种 可 以 提 高 ＰＣ 纳 米 腔 珀 塞 尔因子的方法，第一种方法是通过调节腔的长度来 增强腔内反射，第二种方法是通过引入逐渐变化的 镜像来减小辐射损耗。这两种方法的提出对后续高 性能微腔的设计具有重要借鉴意义。如２００８年，日 本电报电话公司（ＮＴＴ）的 Ｎｏｔｏｍｉ等［５］提出了一种 堆栈尺寸 渐 变 的 一 维 阶 梯 ＰＣ 结 构，其 Ｑ 值 高 达 １×１０８。２００９年，哈佛大学的 Ｄｅｏｔｒａｅ等［７］提出了一 种通过腔的长度、孔晶格常数和半径渐变的结构来 提高Ｑ值的方法。２０１１年，哈佛大学的 Ｑｕａｎ等［８］ 提出了一种高 Ｑ纳米束腔的确定性设计方法。此 后，得益于有效的 设 计 方 法 及 其 高 品 质 因 子、低 模 式体积等优点，高性能一维 纳 米 束 ＰＣ微 腔 的 设 计 难度大 大 降 低，因 此 其 在 ＰＣ 传 感 领 域 受 到 广 泛 关注。 一维纳米束腔按光的局域位置，一般可分为介 质模腔、空气模腔和槽腔，如图１所示。因光的局域 位置不同，其与物质相互作用的强度也不同，灵敏度 也不同。 表１ 提高纳米束腔Ｑ 值的实验研究 Ｔａｂｌｅ１ ＳｔｕｄｉｅｓｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇＱｆａｃｔｏｒｖａｌｕｅｏｆｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［３］ ２５６ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［４］ １０５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［５］ ６．３×１０７ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［６］ １．４９×１０５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［７］ ７．５×１０５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［８］ １０９ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ 图１ 典型一维 ＰＣ纳米束腔的结构及场图。 （ａ）介质模腔［８］；（ｂ）空气模腔［９］；（ｃ）槽结构腔［１０］ Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓａｎｄｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｏｆｓｅｖｅｒａｌ ｔｙｐｉｃａｌ１ＤＰＣｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｉｅｓ．（ａ）Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｍｏｄｅｃａｖｉｔｙ［８］； （ｂ）ａｉｒ－ｍｏｄｅｃａｖｉｔｙ［９］；（ｃ）ｓｌｏｔ－ｂａｓｅｄｃａｖｉｔｙ［１０］ ２．１ 基于介质模腔的一维纳米束 ＰＣ传感技术 一维纳米束 ＰＣ的介质模腔可将其光学模式主 要局域在高折射率区域，易于获得高 Ｑ值和低模式 体积，因此其是研究较多的一种微腔类型。介质模 纳米束腔通过操纵能带的介质模能带边缘，将微腔 中心结构的介质带隙边缘局域到波导两侧孔的光子 带隙中，可使谐振模的光场主要局域在高折射率区 域，能带如图２所示，其中ｋ为波矢大小相对于π／ａ 的归一化常量，ａ为晶格常数。具体的设计可从中心 到两侧逐渐减小孔的尺寸、增大晶格常数等，本质上 是从中心到两侧逐渐增大每个晶胞的有效折射率， 使光子带隙逐渐向低能级移动，从而使目标的谐振 模位于光子带隙的边缘内侧。 ０３２８００３－２
学 学 报 260 腔，Q值高达1X10°，灵敏度为190mm/RIU。2014年。 240 麻省理工学院的Clevenson等设计了一种基于 柔性聚合材料的PC纳米束腔气体传感器，其原理 为柔性聚合材料与气体接触后会发生膨胀，从而引 20 起谐振波长的偏移，实验验证其Q值超过1×10 180 灵敏度为10-i。2015年，加州理工学院的Fegadolli 等)将硅基PC纳米束波导摆合隙用于传感，通过 160 结合一个加热器，可同步控制温度和折射率，灵敏度 09 03 为98nm/RIU。浙江大学的Zhang等设计了 种基于绝缘衬底的硅材料(SOI)堆栈结构的纳米束 Fig.2 E 一维纳米束PC介质模腔不仅控光能力强，在 实际应用中设计也非常灵活，近几年一维纳米束PC 等)提出了一种基于硅PC纳米束腔的复折射率传 介质模腔用于传感领域的典型结构及其传感特性见 成模型，其检测原理为，通过迭振波长的偏移检测折 表2.2011年，哈佛大学的Quan等设计了一种 射率的实部变化，通过吸收引起的谐振波半峰带 聚合物PC纳米束腔传感器，其品质因子为3.6× 的变化检测折射率的虑部变化。该传感器可实现对 10.录敏度为386nm/RIU(RIU为单位折射表) 三元混合物的检测，实验中实部和虚部的灵敏度分 2012年，浙江大学的Ya0等[四提出了 维堆 别为58nm/RIU和139nm/RIU。这意味若基于 找型的PC微腔传感器，其Q值为2.7×10'，灵敏度 维纳米束PC介质模腔的传感器在多功能传感方 为269nm/RIU。四川大学的Feng等)设计了 面迈出了重要一步，对未来多参量传感等多功能传 种孔半径和晶格常数同步逐渐增大的介质模纳米束 感器的研究具有启发和借鉴意义。 表2应用于传感领域的一维P℃介质模纳米束腔 Table 2 ID PC dieleetric-mode nanobeam cavity applied in sensing field Reference Structure Q Sensitivity Analyte Research type [11] a面 3.6×10 386 nm-RIU-! Glucose solution Experiment [12 2.7×10 269nmRIU- Experiment [13] 190 nm-RIU-1 Gas Simulation [14 104 10-5 Gas Experiment [15J 10 98 nm-RIU- Experiment [16 1.3×10 428 nm-RIU-! NaCl solution Experiment [17] 3.5×10 58 nm-RIU-Ternary liquid mixture Experiment 0328003-3 1994-2018 China Academic Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
光 学 学 报 图２ 介质模纳米束腔的能带示意图［８］ Ｆｉｇ．２ Ｅｎｅｒｇｙｂａｎｄｄｉａｇｒａｍｏｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｍｏｄｅｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙ［８］ 一维纳米束 ＰＣ 介质模腔不仅控光 能 力 强，在 实际应用中设计也非常灵活，近几年一维纳米束 ＰＣ 介质模腔用于传感领域的典型结构及其传感特性见 表２。２０１１年，哈佛大学的 Ｑｕａｎ等［１１］设计了一种 聚合物 ＰＣ 纳 米 束 腔 传 感 器，其 品 质 因 子 为 ３．６× １０４，灵敏度 为３８６ｎｍ／ＲＩＵ（ＲＩＵ 为 单位 折 射 率）。 ２０１２年，浙 江大 学 的 Ｙａｏ等［１２］提出了 一 种 一 维 堆 栈型的 ＰＣ微腔传感器，其Ｑ值为２．７×１０４，灵敏度 为２６９ｎｍ／ＲＩＵ。四川大学的 Ｆｅｎｇ等［１３］设计了一 种孔半径和晶格常数同步逐渐增大的介质模纳米束 腔，Ｑ值高达１×１０６，灵敏度为１９０ｎｍ／ＲＩＵ。２０１４年， 麻省理工 学 院 的 Ｃｌｅｖｅｎｓｏｎ等［１４］设计了一种基于 柔性聚合材料 的 ＰＣ 纳米束腔气体传感器，其 原 理 为柔性聚合材料与气体接触后会发生膨胀，从而引 起谐振波长的偏移，实验验证其 Ｑ值 超过１×１０４， 灵敏度为１０－５。２０１５年，加州理工学院的 Ｆｅｇａｄｏｌｌｉ 等［１５］将硅基 ＰＣ 纳米束波导耦合腔用于传感，通过 结合一个加热器，可同步控制温度和折射率，灵敏度 为９８ｎｍ／ＲＩＵ。浙江大学的 Ｚｈａｎｇ等［１６］设计了一 种基于绝缘衬底的硅材料（ＳＯＩ）堆栈结构的纳米束 腔，并用于 ＮａＣｌ溶液的浓度检测，Ｑ值为１．３×１０４， 灵敏度为４２８ｎｍ／ＲＩＵ。２０１６年，新 加坡 的 Ｚｈａｎｇ 等［１７］提出了一种基于硅 ＰＣ纳米束腔的复折射率传 感模型，其检测原理为：通过谐振波长的偏移检测折 射率的实部变化，通过吸收引起的谐振波半峰带宽 的变化检测折射率的虚部变化。该传感器可实现对 三元混合物的检测，实验中实部和虚部的灵敏度分 别为５８ｎｍ／ＲＩＵ 和１３９ｎｍ／ＲＩＵ。这 意味 着 基 于 一维纳米束 ＰＣ介质模腔的传感器在多功能传感方 面迈出了重要一步，对未来多参量传感等多功能传 感器的研究具有启发和借鉴意义。 表２ 应用于传感领域的一维 ＰＣ介质模纳米束腔 Ｔａｂｌｅ２ １ＤＰＣｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ－ｍｏｄｅｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ａｎａｌｙｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［１１］ ３．６×１０４ ３８６ｎｍ·ＲＩＵ－１ Ｇｌｕｃｏｓｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１２］ ２．７×１０４ ２６９ｎｍ·ＲＩＵ－１ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１３］ １０６ １９０ｎｍ·ＲＩＵ－１ Ｇａｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［１４］ １０４ １０－５ Ｇａｓ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１５］ １０６ ９８ｎｍ·ＲＩＵ－１ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１６］ １．３×１０４ ４２８ｎｍ·ＲＩＵ－１ ＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１７］ ３．５×１０４ ５８ｎｍ·ＲＩＵ－１ Ｔｅｒｎａｒｙｌｉｑｕｉｄｍｉｘｔｕｒｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ０３２８００３－３
22基于空气模腔的一维纳米束PC传感技术 近几年一维纳米束PC空气模腔用于传感领域 基于介质模的一维P℃纳米束腔具有较强的光 的结构及其传感特性见表3.2015年，哈佛大学的 子局域能力，但其光场模式主要局域在高折射率的 Lang等[幻通过调节矩形孔的长度，设计了一种空 介质中，不利于光和低折射率区域中物质的反应，因 气模纳米束腔，其Q值高达2.5×10°，模式体积低至 此在一定程度上制约了灵敏度的提高。因此，为了 0.01入（以为波长），其谐振模光场主要局域在低折射 进一步提高灵敏度，增强光与低折射率区域物质的 率的介质区域，因此可以显著提高探测纳米拉子的 反应，研究人员提出了一种基于空气模的 一维纳米 灵敏度，可探测到直径小至1.8nm的单个金纳米粒 束PC微腔结构。空气模纳米束腔通过操纵能带的 子。同年，韩国的Kim等利用PC纳米束腔的 空气模带隙边缕，将中心鹘孔的空气带隙边缘局域 阶空气能带模式进行传感，在水环境中，其所设计的 到波导两侧孔的PC带隙中，可使光场主要局域在 传感器的理论Q值为23300，理论灵敏度达 低折射率区域，能带如图3所示。设计本质是从 631nm/RIU,实验灵敏度为461nm/RIU。相比于 心到两侧逐渐减小每个品胞的有效折射率，使光子 大多数基于低能级空气模的传感器，该传感器所利 带隙逐渐向高能级移动，从而使目标谐根模位于光 用的高能级空气模可更有效地将光场模式局域在低 子带隙的边缘内侧 折射率区域，从而进 步增强了光物反应，获得了更 20 高的灵敏度。此外，2015年，北京邮电大学的Yang 等)设计了一种波导宽度渐变的空气模纳米束腔传 230 感器，理论灵敏度可达537.8nm/RIU。2016年，北 京郎电大学的Huag等[提出了一种基于椭圆孔 的空气模纳米束腔结构，其灵敏度为389nm/RIU。 2017年，北京邮电大学的Sun等[2】提出了一种矩 形孔品格常数渐变的超小体积的空气模纳米束 02 传感器，灵敏度为252nm/RIU。这些研究极大 04 富了基于空气模的纳米束腔传感器的研究，对后 图3空气模纳米束腔的能带示意图回 续基于空气模提高传感器灵敏度的研究具有重要 Fig.3 Energy band diagram of air mode nanobeam cavity 借整意义。 表3应用于传感领域的一维PC空气模钠米束跑 Table3 ID PCair-mode nanobeam cavity applied in sensing field Referece Sensitivity/nmRIU-l）Analyte Research type [18] 00000000000000000008 2.5×10 Nano-particle Experiment [19】 770 Liquid Experiment [9 10 537.8 Liquid Simulation [20] 389 Liquid Simulation [21] 11111111 10 Gas Simulation 2.3基于槽结构腔的一维纳米束PC传感技术 感器检测灵敏度的一种有效方法。相较于介质模腔 通过前文分析可知，通过增强光在低折射率介 和空气模腔，槽结构腔的谐振光场主要局域在槽波 质中的能量分布以增强光物之间相互作用是提高传 导中，光物的接轴面积更大，光物反应更加充分，因 0328003-4 1994-2018 China Academie Joumal Electronie Publishing House All rights reserved. http://www.cnki.ne
光 学 学 报 ２．２ 基于空气模腔的一维纳米束 ＰＣ传感技术 基于介质模的一维 ＰＣ纳米束腔具有较强的光 子局域能力，但其光场模式主要局域在高折射率的 介质中，不利于光和低折射率区域中物质的反应，因 此在一定程度上制约了灵敏度的提高。因此，为了 进一步提高灵敏度，增强光与低折射率区域物质的 反应，研究人员提出了一种基于空气模的一维纳米 束 ＰＣ微腔结构。空气模纳米束腔通过操纵能带的 空气模带隙边缘，将中心腔孔的空气带隙边缘局域 到波导两侧孔 的 ＰＣ 带 隙 中，可 使 光 场 主 要 局 域 在 低折射率区域，能带如图３所示。设计本质是从中 心到两侧逐渐减小每个晶胞的有效折射率，使光子 带隙逐渐向高能级移动，从而使目标谐振模位于光 子带隙的边缘内侧。 图３ 空气模纳米束腔的能带示意图［８］ Ｆｉｇ．３ Ｅｎｅｒｇｙｂａｎｄｄｉａｇｒａｍｏｆａｉｒ－ｍｏｄｅｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙ［８］ 近几年一维纳米束 ＰＣ空气模腔用于传感领域 的结构及其传感特性见表３。２０１５年，哈佛大学的 Ｌｉａｎｇ等［１８］通过调节矩形孔 的 长 度，设 计 了 一 种 空 气模纳米束腔，其Ｑ值高达２．５×１０６，模式体积低至 ０．０１λ３（λ为波长），其谐振模光场主要局域在低折射 率的介质区域，因此可以显著提高探测纳米粒子的 灵敏度，可探测到直径小至１．８ｎｍ 的单个金纳米粒 子。同年，韩国的 Ｋｉｍ 等［１９］利用 ＰＣ纳米束腔的二 阶空气能带模式进行传感，在水环境中，其所设计的 传 感 器 的 理 论 Ｑ 值 为 ２３３００，理 论 灵 敏 度 达 ６３１ｎｍ／ＲＩＵ，实验灵敏度为４６１ｎｍ／ＲＩＵ。相比于 大多数基于低能级空气模的传感器，该传感器所利 用的高能级空气模可更有效地将光场模式局域在低 折射率区域，从而进一步增强了光物反应，获得了更 高的灵敏度。此外，２０１５年，北京邮电大学的 Ｙａｎｇ 等［９］设计了一种波导宽度渐变的空气模纳米束腔传 感器，理论灵敏度可达５３７．８ｎｍ／ＲＩＵ。２０１６年，北 京邮电大学的 Ｈｕａｎｇ等［２０］提出了一种基于椭圆孔 的空气模纳米束腔结构，其灵敏度为３８９ｎｍ／ＲＩＵ。 ２０１７年，北京邮电 大 学 的 Ｓｕｎ等［２１］提出 了 一 种 矩 形孔晶格常数渐变 的 超 小 体 积 的 空 气 模 纳 米 束 腔 传感器，灵敏度为２５２ｎｍ／ＲＩＵ。这 些研 究 极 大 丰 富了基于 空 气 模 的 纳 米 束 腔 传 感 器 的 研 究，对 后 续基于空气模提高 传 感 器 灵 敏 度 的 研 究 具 有 重 要 借鉴意义。 表３ 应用于传感领域的一维 ＰＣ空气模纳米束腔 Ｔａｂｌｅ３ １ＤＰＣａｉｒ－ｍｏｄｅｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ／（ｎｍ·ＲＩＵ－１） Ａｎａｌｙｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［１８］ ２．５×１０５ － Ｎａｎｏ－ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１９］ ７７０ ４６１ Ｌｉｑｕｉｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［９］ １０４ ５３７．８ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２０］ １０４ ３８９ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２１］ １０５ ２５２ Ｇａｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ２．３ 基于槽结构腔的一维纳米束 ＰＣ传感技术 通过前文分析可知，通过增强光在低折射率介 质中的能量分布以增强光物之间相互作用是提高传 感器检测灵敏度的一种有效方法。相较于介质模腔 和空气模腔，槽结构腔的谐振光场主要局域在槽波 导中，光物的接触面积更大，光物反应更加充分，因 ０３２８００３－４
学 学 此可进一步提高传感器的灵敏度。 腔结构，实验获得其折射率灵敏度为234nm/RIU 近几年，一维纳米束PC槽结构腔在传感领域 2016年，华中科技大学的Li等设计了一种孔半 的应用及其结构和传感特性见表4.2010年，荷兰 径渐变的槽纳米束腔，品质因子达103，灵敏度高达 的Wang等四提出了一种基于InGaAsP的PC双 851nm/RIU。浙江大学的Zhang等设计的槽纳 纳米束槽腔，水环境下其品质因子为3×10，灵敏 米束腔的品质因子高达4.5×10，利用光力的作用 度达700nm/RIU。2013年.浙江大学的Xu等2 可捕获半径为2nm的聚苯乙烯粒子。此外，北京 设计了一种堆栈宽度渐变的槽纳米束腔，讲一步提 却电大学的Yang等[0，)设计了一系列的槽纳米 高了品质因子，使其达到了10，在NaC1溶夜的检 束腔，其中，他们在2014年与哈佛大学合作设计了 测中，灵敏度为410nm/RIU。2015年，新加坡的 种平行四方晶格的槽式纳米束腔)，水环境下 Lin等[通过在腔的中心区域加入短槽，在不牺牲 其灵敏度为451nm/RIU,实验结果显示，该传感 品质因子和灵敏度的情况下，将模式体积减小了 器能够在磷酸缓冲溶液里探测到密度为10ag/ml 1/10,其用于单纳米粒子检测时，可检测到最小半徭 的链霉亲和素2015年，他们设计了高灵敏度、高 为1nm的纳米粒子，灵敏度为460nm/RIU。台湾 品质因数和低模式体积的单纳米束纳米槽PC微 的Chng等[)提出了一种双纳米束的并列耦合式槽 腔o,灵敏度高达749nm/RIU:2017年，他们设计 表4应用于传感领域的一维PC结构纳米束腔 Structure Q Sensitivity /(nm-RIU-) Analyte [22] 3×10 700 Sucrose solution Experiment [23] 10 410 NaCl solution Experiment [24] 6.08X10 Liquid Simulation [25] 00中00000000中0 10 Gas Experiment 1040t0400t1tut1t0100i00 [26] 10 85 Gas Simulation 4.5×10 Polystyrene particles Simulation [28] 7×10 451 Ethanol solution Experiment [1o] ++i:++++++ 10 Simulation [29] 1.14×10 Liquid Simulation 0328003-5 1994-2018 China academic lournal electronic publishing House all rights reserved http://www cnkine
光 学 学 报 此可进一步提高传感器的灵敏度。 近几年，一维 纳 米 束 ＰＣ 槽 结 构 腔 在 传 感 领 域 的应用及其结构和传感特性见表４。２０１０年，荷兰 的 Ｗａｎｇ等［２２］提出了 一 种 基 于ＩｎＧａＡｓＰ 的 ＰＣ 双 纳米束槽腔，水 环 境 下 其 品 质 因 子 为３×１０３，灵 敏 度达７００ｎｍ／ＲＩＵ。２０１３年，浙 江大 学 的 Ｘｕ等［２３］ 设计了一种堆栈宽度渐变的槽纳米束腔，进一步提 高了品质因子，使其达到了１０４，在 ＮａＣｌ溶 夜的 检 测中，灵 敏 度 为 ４１０ｎｍ／ＲＩＵ。２０１５ 年，新 加 坡 的 Ｌｉｎ等［２４］通过在腔的中心区域加入短槽，在 不 牺 牲 品质因 子 和 灵 敏 度 的 情 况 下，将模式体积减小了 １／１０，其用于单纳米粒子检测时，可检测到最小半径 为１ｎｍ 的纳米粒子，灵敏度为４６０ｎｍ／ＲＩＵ。台湾 的Ｃｈａｎｇ等［２５］提出了一种双纳米束的并列耦合式槽 腔结构，实验获得其折射率灵敏度为２３４ｎｍ／ＲＩＵ。 ２０１６年，华中科技大学 的 Ｌｉ等［２６］设 计了 一 种 孔 半 径渐变的槽纳米束腔，品质因子达１０５，灵敏度高达 ８５１ｎｍ／ＲＩＵ。浙江大学的Ｚｈａｎｇ等［２７］设计的槽纳 米束腔的品质因子高达４．５×１０７，利用光力的作用 可捕获半径 为２ｎｍ 的聚苯乙烯粒子。此 外，北京 邮电大学的 Ｙａｎｇ等［１０，２８－２９］设计了一系列的槽纳米 束腔，其中，他们在２０１４年与哈佛大学合作设计了 一种平行四方晶格的槽式纳米束腔［２８］，水 环 境 下 其灵敏 度 为 ４５１ｎｍ／ＲＩＵ，实 验 结 果 显 示，该 传 感 器能够在磷酸缓冲溶液里探测到密度为１０ａｇ／ｍＬ 的链霉亲和 素；２０１５年，他们设计了高灵敏度、高 品质因数和低模式体积的单纳米束纳米槽 ＰＣ 微 腔［１０］，灵敏度高达７４９ｎｍ／ＲＩＵ；２０１７年，他们设计 表４ 应用于传感领域的一维 ＰＣ槽结构纳米束腔 Ｔａｂｌｅ４ １ＤＰＣｓｌｏｔ－ｂａｓｅｄｎａｎｏｂｅａｍｃａｖｉｔｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ／（ｎｍ·ＲＩＵ－１） Ａｎａｌｙｔｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［２２］ ３×１０３ ７００ Ｓｕｃｒｏｓｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［２３］ １０４ ４１０ ＮａＣｌｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［２４］ ６．０８×１０６ ４６０ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２５］ １０３ ２３４ Ｇａｓ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［２６］ １０５ ８５１ Ｇａｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２７］ ４．５×１０７ － Ｐｏｌｙｓｔｙｒｅｎｅｐａｒｔｉｃｌｅｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２８］ ７×１０３ ４５１ Ｅｔｈａｎｏｌｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［１０］ １０７ ９００ Ｇａｓ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［２９］ １．１４×１０７ ４５１ Ｌｉｑｕｉｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ０３２８００３－５