了双纳米梁的槽PC结构]，在水环境下，其灵敏度 典型应用见表5.2017年，燕山大学的陈颗等[ 达4O0nm/RIU.。,总之，基于槽结构的纳米束微韵 结合PC的缺路模式和表而模式特性，提出了一种 传感器不仅实现了高灵敏度，还实现了高品质因子 含吸收介质的PC法布里珀罗异质结构，该结检 等特性，这促进了槽结构腔在高灵敏度、低探测极 将待测样本直接作为表面缺陷腔，在折射率检测 传感中的应用，对粒子探测、气体检测及生物医疗检 中实现了1017.98nm/RIU的灵敏度。上海大学 测等具有重要意义。 的Tu等[通过激发锥形化光纤的一维PC包层 基于上述分析可知，将光场局域到低折射率区 的布洛赫表面模，实现了最高为2184nm/RIU的 域中，可有效提高传感器的灵敏度。对大部分传感 折射率灵敏度，这远高于前述传感器的灵敏度。 器而言，灵敏度越高越好，如何在此基础上进一步提 然而，表5中两种传感器在取得高灵敏度的同时， 高传感器的灵敏度，研究人员仍然在探素。对于甚 其对应的表面送振模式的0值分别只有2097和 于P℃结构的传感器，当前还没有非常有效的方法 32左右，这将会影响其传感精度和实际应用价值。 根据目前为数不多的研究可知，PC表面模可能是 因此，实现各方面性能皆优的传感器，仍然需要更 一个重要方向，一维P℃表面模缺陷腔在传感中的 名的研究。 表5应用于传领城的一维C表面链缺路 Table 5 ID PC su ty applied in sening field Structure Q Sensitivity/(nmRIU-) Research type [30] 1017.98 Simulation [31] 50 2184 Experiment 微腔可用于高品质因子、高灵敏度及低探测极限 3二维平板PC传感关键技术及性能 的传感器检测。 二维P℃是介电常数在二维空间呈周期性排列 近年研究较多的二维平板PC传感器按其结构 的结构，相对于一维P℃，二维PC的结构设计更加 设计的不同可分为点缺陷腔传感器、异质结构腔传 灵活多样，能够依据需求而构造各种不同的高性能 感器、慢光波导传诚器以及导模谐振传感器等。不 传感器，如折射率传感器、生化传感器、压力传感器 同结构的传感器性能也有所不同。 等。典型的二维PC结构是由一些圆的或方的介质 3,1基于点缺陷腔的二维平板PC传感技术 柱在空气背景中排列成六方品系（三角品格），或由 通过去除，增加或移动等方式改变二维P℃结 空气孔在介质背景中规则排列而成的。在理论、实 构中的完美周期性结构，可以构成点缺陷腔。点缺 验研究及实际应用中，二维PC微腔传感器多以三 陷腔由于具有结构简单、体积小、易集成以及光场局 角品格空气孔型平板作为基础平台，相较于介质柱 域性能良好等优点，是二维平板P℃微腔的一类重 型的二维PC,其在横电(TE)模式下具有较大的为 要结构，在PC传感器中的应用也较多 子带隙，并且对光子具有很强的局域效应，因此通 设计高性能的二维平板PC点缺陷腔对其后 时玻坏二维C的完美结构从而形成的各种缺路 续应用非常重要，类似于一维纳米束C微腔，其 0328003-6 1994-2018 China Academie Joural Electronie Publishing House All rights reserved. http://www.cnki.ne
光 学 学 报 了双纳米梁的槽 ＰＣ结构［２９］，在水环境下，其灵敏度 达４００ｎｍ／ＲＩＵ。总 之，基于 槽 结 构 的 纳 米 束 微 腔 传感器不仅实现了高灵敏度，还实现了高品质因子 等特性，这促进了槽结构腔在高灵敏度、低探测极限 传感中的应用，对粒子探测、气体检测及生物医疗检 测等具有重要意义。 基于上述分析可知，将光场局域到低折射率区 域中，可有效提高传感器的灵敏度。对大部分传感 器而言，灵敏度越高越好，如何在此基础上进一步提 高传感器的灵敏度，研究人员仍然在探索。对于基 于 ＰＣ结构的传感器，当前还没有非常有效的方法， 根据目前为数 不 多 的 研 究 可 知，ＰＣ 表 面 模 可 能 是 一个重要方向，一维 ＰＣ表面 模 缺 陷 腔 在 传 感 中 的 典型应用见表 ５。２０１７ 年，燕山大学的陈颖等［３０］ 结合 ＰＣ的缺陷模式和表面 模 式 特 性，提 出 了 一 种 含吸收介 质 的 ＰＣ 法 布 里－珀 罗 异 质 结 构，该 结 构 将待测样 本 直 接 作 为 表 面 缺 陷 腔，在 折 射 率 检 测 中实现了１０１７．９８ｎｍ／ＲＩＵ 的 灵 敏 度。上 海 大 学 的 Ｔｕ等［３１］通过激发锥形化光纤的一维 ＰＣ 包 层 的布洛赫表 面 模，实 现 了 最 高 为２１８４ｎｍ／ＲＩＵ 的 折射率 灵 敏 度，这 远 高 于 前 述 传 感 器 的 灵 敏 度。 然而，表５中两种 传 感 器 在 取 得 高 灵 敏 度 的 同 时， 其对应的表面谐振模式的 Ｑ值分别 只 有２０９７和 ３２左右，这将会影响其传感精度和实际应用价值。 因此，实现各方面 性 能 皆 优 的 传 感 器，仍 然 需 要 更 多的研究。 表５ 应用于传感领域的一维 ＰＣ表面模缺陷腔 Ｔａｂｌｅ５ １ＤＰＣｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｄｅｃａｖｉｔｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｓｅｎｓｉｎｇｆｉｅｌｄ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ／（ｎｍ·ＲＩＵ－１） Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［３０］ ２０９７ １０１７．９８ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［３１］ ＜５０ ２１８４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ３ 二维平板ＰＣ传感关键技术及性能 二维 ＰＣ是介电常数在二维空间呈周期性排列 的结构，相对于 一 维 ＰＣ，二 维 ＰＣ 的 结 构 设 计 更 加 灵活多样，能够依据需求而构造各种不同的高性能 传感器，如折射率传感器、生化传感器、压力传感器 等。典型的二维 ＰＣ结构是由一些圆的或方的介质 柱在空气背景中排列成六方晶系（三角晶格），或由 空气孔在介质背景中规则排列而成的。在理论、实 验研究及实际 应 用 中，二 维 ＰＣ 微 腔 传 感 器 多 以 三 角晶格空气孔型平板作为基础平台，相较于介质柱 型的二维 ＰＣ，其在横电（ＴＥ）模式下具有较大的光 子带隙，并且对光 子 具 有 很 强 的 局 域 效 应，因 此 通 过破坏二维 ＰＣ 的 完 美 结 构 从 而 形 成 的 各 种 缺 陷 微腔可用 于 高 品 质 因 子、高 灵 敏 度 及 低 探 测 极 限 的传感器检测。 近年研究较多的二维平板 ＰＣ传感器按其结构 设计的不同可分为点缺陷腔传感器、异质结构腔传 感器、慢光波导传感器以及导模谐振传感器等。不 同结构的传感器性能也有所不同。 ３．１ 基于点缺陷腔的二维平板 ＰＣ传感技术 通过去除、增 加 或 移 动 等 方 式 改 变 二 维 ＰＣ 结 构中的完美周期性结构，可以构成点缺陷腔。点缺 陷腔由于具有结构简单、体积小、易集成以及光场局 域性能良好等 优 点，是 二 维 平 板 ＰＣ 微 腔 的 一 类 重 要结构，在 ＰＣ传感器中的应用也较多。 设计高性能的二维平板 ＰＣ 点 缺 陷 腔 对 其 后 续应用非 常 重 要，类似于一维纳米束 ＰＣ 微 腔，其 ０３２８００３－６
学 学 设计理念和性能也分别经历了一个逐渐发展和不 与其他结构不同的是，该设计中P℃平板平面内光 断优化的过程，典型的基于二维平板PC点缺陷胜 场的强局域能力并非是由P℃的禁带效应造成的 的设计及其关键性能见表6.2003年，日本京都 而是？平板谐振腔模式与一阶是橙之间弱摇合的 大学的Akahane等a]首次提出了在完美的二维 结果。2011年，北京邮电大学的Yang等[仅仅通 PC结构中去除3个空气孔的L3微腔的设计理 过移动空气孔的位置，首次提出并形成了H0微腔 念，并实验验证了其Q值达4.5×10，模式体积为 (即无需去除P℃平板中空气孔，仅通过调整相邻空 7.0X10-“cm'。此后，日本京都大学的Akahane 气孔的相对位置而形成的缺咯腔)模型，该模型的结 等，美国罗切斯特大学的Lai等分别对L3微 构简单，对PC微腔的单片集成具有重要意义 腔进行了优化，极大提高了L3微腔的光场局域性 2012年，美国的Chakravarty等)以L3腔为基础 能，将Q值分别提升到了105和10°量级。2008年 通过去除PC平板同一方向上的n个空气孔，构建 日本高等科学技术研究中心的Tandaechanurat 了一系列Lm型PC微腔模型，这极大丰富了点缺陷 等提出了一种在完美的二维PC结构中去除一个 腔的设计理念，对后续L”型点缺陷腔的设计具有西 空气孔的H1微腔结构，通过优化平板的厚度，得到 要借鉴意义。此外，值得提出的是，2016年，日本京 最高的仿真Q值为16200，最高的实验Q值为300 都大学的Nakam山ra等[灯通过观察尚脖光场在使 表6高品质因子的二维平板PC点缺陷 里叶空间泄露模中的分布，以 种非常直观的 Table 62D slab PC point-defeet cavity with high quity factor 法对Q值进行了优化，这对高品质因子P℃微腔及 Reference Strueture Q Research type 基于此类微腔的高性能传感器的设计具有重要指 导意义。 二维平板PC点缺陷腔具有简单的结构和良好 [32] .5X10 Experiment 的控光性能，在传感领域得到了学者们的广泛关注， 近几年其在生化传感中的典型应用见表7。 2010年，新加坡的Hsia0等[9设计了 种 维平板 PC环形腔生物分子传感器，理论仿真结果表明，该 [33] 10 Simulation 结构对生物分子的传感极限达0.2fg。2012年，美 国的Lai等[o设计了L3,L7和L13微腔与w1波 导（去除完美P℃平板中的一排空气孔所形成的波 导)边腔辐合的传感结构，在生化传感中最高灵敏度 [34] 10 Experiment 达到15ng/mL。2014,美国的Zou等[进一步设 计了L13、L21和L55微腔，并对其在生化传感中的 性能进行了研究，其中L55微腔在实验中对磷酸盐 [35] 3X10 Experiment 缓冲液中生物素浓度的检测灵敏度为3,35De/mL 同年，北京邮电大学的Zhou等[四设计了 种基于 H2微腔（去除PC平板中的两个相邻空气孔形成的 [36] Simulation 缺陷腔)的P℃传感器，并应用于糖水溶液浓度的检 测，折射率灵敏度为(131.70士16.82)nm/RIU,探 测极限达3.797×106RIU。2015年，美国罗切斯 特大学的Bak©r等[)设计了一种大型缺陷瞪，并用 [37] 9.3×103 Experiment 于检测人体血清中的大分子病毒。基于相结物 2017年，Baker等[a又提出了-一种新型的基于二维 平板PC波导耦合的微流控粒子识别检测器，该检 测器集成了P℃病毒探测器，通过对抗体和病毒的 [38] los Simulation 实验检测，进一步验证了其对病春尺寸的粒子的检 测能力。 0328003-7 1994-2018 China academic lournal electronic publishing House all rights reserved http://www cnkine
光 学 学 报 设计理念和性能也 分 别 经 历 了 一 个 逐 渐 发 展 和 不 断优化的过程，典型的基于 二 维 平 板 ＰＣ点 缺 陷 腔 的设计及其关键性能见表 ６。２００３ 年，日 本 京 都 大学 的 Ａｋａｈａｎｅ等［３２］首 次 提 出 了 在 完 美 的 二 维 ＰＣ结构 中 去 除 ３ 个 空 气 孔 的 Ｌ３ 微 腔 的 设 计 理 念，并实验验证了其 Ｑ值 达４．５×１０４，模式体 积 为 ７．０×１０－１４ ｃｍ３。此 后，日 本 京 都 大 学 的 Ａｋａｈａｎｅ 等［３３］、美国罗切斯特大学的 Ｌａｉ等［３４］分别对 Ｌ３微 腔进行了优化，极 大 提 高 了 Ｌ３微 腔 的 光 场 局 域 性 能，将Ｑ值分别提升到了１０５和１０６量级。２００８年， 日本 高 等 科 学 技 术 研 究 中 心 的 Ｔａｎｄａｅｃｈａｎｕｒａｔ 等［３５］提出了一种在完美的二维 ＰＣ结构中去除一个 空气孔的 Ｈ１微腔结构，通过优化平板的厚度，得到 最高的仿真Ｑ值为１６２００，最高的实验Ｑ值为３０００。 表６ 高品质因子的二维平板 ＰＣ点缺陷腔 Ｔａｂｌｅ６ ２ＤｓｌａｂＰＣｐｏｉｎｔ－ｄｅｆｅｃｔｃａｖｉｔｙｗｉｔｈｈｉｇｈｑｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｑ Ｒｅｓｅａｒｃｈｔｙｐｅ ［３２］ ４．５×１０４ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［３３］ １０５ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［３４］ １０６ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［３５］ ３×１０３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［３６］ １０３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ［３７］ ９．３×１０３ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ［３８］ １０６ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 与其他结构不 同 的 是，该 设 计 中 ＰＣ 平 板 平 面 内 光 场的强局域能 力 并 非 是 由 ＰＣ 的 禁 带 效 应 造 成 的， 而是 ＰＣ平板谐振腔模式与二阶导模之间弱耦合的 结果。２０１１年，北京邮电大学的 Ｙａｎｇ等［３６］仅仅通 过移动空气孔的位 置，首 次 提 出 并 形 成 了 Ｈ０微 腔 （即无需去除 ＰＣ平板中空气孔，仅通过调整相邻空 气孔的相对位置而形成的缺陷腔）模型，该模型的结 构简 单，对 ＰＣ 微腔的单片集成具有重要意义。 ２０１２年，美国的 Ｃｈａｋｒａｖａｒｔｙ等［３７］以 Ｌ３腔为基础， 通过去除 ＰＣ平 板 同 一 方 向 上 的ｎ个空气 孔，构 建 了一系列 Ｌｎ型 ＰＣ微腔模型，这极大丰富了点缺陷 腔的设计理念，对后续Ｌｎ型点缺陷腔的设计具有重 要借鉴意义。此外，值得提出的是，２０１６年，日本京 都大学的 Ｎａｋａｍｕｒａ等［３８］通过观察微腔光场在傅 里叶空间 泄 露 模 中 的 分 布，以 一 种 非 常 直 观 的 方 法对 Ｑ值进行了优化，这对 高 品 质 因 子 ＰＣ微 腔 及 基于此类微腔的高 性 能 传 感 器 的 设 计 具 有 重 要 指 导意义。 二维平板 ＰＣ点缺陷腔具有简单的结构和良好 的控光性能，在传感领域得到了学者们的广泛关注， 近几 年 其 在 生 化 传 感 中 的 典 型 应 用 见 表 ７。 ２０１０年，新加坡的 Ｈｓｉａｏ等［３９］设计了一种二维平板 ＰＣ环形腔生物分子传感器，理论仿真结果表明，该 结构对生物分子的传感极限达０．２ｆｇ。２０１２年，美 国的 Ｌａｉ等［４０］设计了 Ｌ３、Ｌ７和 Ｌ１３微腔与 Ｗ１波 导（去除完美 ＰＣ 平板中的一排空气孔所形成的波 导）边腔耦合的传感结构，在生化传感中最高灵敏度 达到１５ｎｇ／ｍＬ。２０１４，美国的 Ｚｏｕ等［４１］进一步 设 计了 Ｌ１３、Ｌ２１和 Ｌ５５微腔，并对其在生化传感中的 性能进行了研究，其中 Ｌ５５微腔在实验中对磷酸盐 缓冲液中生物素浓度的检测灵敏度为３．３５ｐｇ／ｍＬ。 同年，北京邮电大学 的 Ｚｈｏｕ等［４２］设计了 一 种 基 于 Ｈ２微腔（去除 ＰＣ平板中的两个相邻空气孔形成的 缺陷腔）的 ＰＣ传感器，并应用于糖水溶液浓度的检 测，折射 率 灵 敏 度 为（１３１．７０±１６．８２）ｎｍ／ＲＩＵ，探 测极限达３．７９７×１０－６ ＲＩＵ。２０１５年，美 国罗 切 斯 特大学的 Ｂａｋｅｒ等［４３］设计了一种大型缺陷腔，并用 于检测人体血清中的大分子病毒。基于相似结构， ２０１７年，Ｂａｋｅｒ等［４４］又提出了一种新型的基于二维 平板 ＰＣ波导耦合的微流控粒子识别检测器，该 检 测器集成了 ＰＣ 病 毒 探 测 器，通 过 对 抗 体 和 病 毒 的 实验检测，进一步验证了其对病毒尺寸的粒子的检 测能力。 ０３２８００３－７