光子晶体纳米梁腔在传感方面的应用外文翻译资料

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光子晶体纳米梁腔在传感方面的应用

摘要：近年来，基于微腔的光学传感器由于具有尺寸减小和传感能力增强等优点而受到越来越多的关注。本文旨在对光子晶体纳米束腔基传感器的研究领域作一全面综述。综述了折射率传感、纳米颗粒传感、光机械传感、温度传感等传感原理和应用进展。研究表明，光子晶体纳米光腔具有优异的光限域能力、超小尺寸、灵活的片上设计、易于集成等优点，为传感应用提供了广阔的平台。

关键词：光子晶体腔；光子晶体纳米梁腔；光学传感器；折射率传感器；纳米颗粒传感器；光机械传感器；温度传感器

1 .引言

目前，光学传感器是应用最广泛的各类传感平台，应用于生活的各个方面，包括工业、社会和军事。光学传感器相对于其他类型的传感器具有体积小、在恶劣环境下的可用性、遥感、对干扰的免疫力等优点。随着光学微腔研究的最新进展，光学传感器也可以通过片上微腔实现。通过共振再循环，光可以被光学微腔限制在一个小的体积内，其中光子晶体腔由于其小的模体积和强的光场限制而成为传感应用的一个很有前景的候选。由于其结构灵活、易于片上集成、光约束能力突出、尺寸紧凑等优点，近年来受到广泛关注。

在本综述中，我们将重点介绍光子晶体纳米束腔的传感应用，这些纳米束腔以其超小的物理足迹和极低的有效质量而备受关注。这次内容安排如下。第二节简要概述了光子晶体和其他类型的光学腔。第三节概述了传感原理，重点介绍了基于纳米束腔的折射率传感的一些关键发展。第四节介绍了纳米颗粒传感的应用，分析了纳米颗粒捕获技术。第五节概述了光机械传感的机理，同时介绍了它们的应用。第六节重点介绍了利用光子晶体纳米束腔进行温度传感的原理和应用。最后，我们对整个综述进行总结。

2 .光学腔

光学微腔能够在小模体积内限制光。基于它们，传感器有可能达到前所未有的高灵敏度和低检限制。微腔的谐振特性，如谐振波长和线宽，会受到光模区微小的物理化学变化的显著影响。在光子腔中，只有其共振波长处的光才能强耦合到其中。对于一个耳语画廊模式( WGM )腔或一个法布里-珀罗( F-P )腔，用共振波长 lambda;r来定义：

其中，n_eff为腔的有效折射率，L为往返光程长度，m为整数。如果在光模区存在有效折射率的变化，可以诱导产生共振波长的漂移。当光通过腔内传播时，透射光的强度发生剧烈的下降或峰值，在透射谱中可以监测到。在一般的传感应用中，对共振波长漂移( Delta;lambda; )的测量是最常用的(图1 )。侧耦合光学谐振腔的透射谱如图1a所示。在图1b中，给出了直接在光路( 即输入-腔-输出配置 )中的光学谐振器的透射谱。除了谐振波长外，品质因数( Q )用来比较光学微腔中的损耗，定义为：

其中delta;lambda;为共振线宽。Q因子表示腔内光子寿命。对于不同的腔体设计，Q因子可以从10³到10¹⁰ 。对于高Q微腔，在谐振腔表面对分析物进行连续和重复采样，显著增加了光物质相互作用的有效光程长度，从而提高了光学微腔的灵敏度。

图1 .光学微腔的透射谱：( a )侧耦合腔在共振波长处的特征倾角；( b )输入-腔-输出构型在共振波长处的一个特征峰。由于光模区的物理或化学变化，共振波长从红线向蓝线移动。此外，Q因子的减小导致光谱共振线宽( delta;lambda; )的扩大。

随着光学腔设计的广泛研究和器件制造技术的进步，人们发展了多种微纳光子腔结构。下面介绍其中的一些典型。

光子晶体( Photonic Crystal，PhC )微腔具有不同折射率材料的区域，呈周期性结构排列，具有丰富的减缓和限制光的光学特性。对比介质介质的周期性空间排列产生光子带隙( PBG )。通过周期调制一个结构中一个、两个或三个正交方向的介电常数，可以得到PhC。1D PhCs可以通过周期性放置交替介质堆或在完美波导中刻蚀一排孔来形成(图2a )。2D PhCs既可以通过生长高长径比的介质棒，也可以通过在高介电材料中周期性的二维刻蚀孔来实现。后者因其制作工艺简单而最常用。在3D光子晶体中，可以获得完整的PBG，并且折射率在三个方向都被调制。这种结构的制造具有挑战性。利用这3类PhCs构建的微/纳米光子腔如图2所示。

图2 .用( a ) 1D，( b ) 2D和( c ) 3D光子晶体( PhCs )绘制了腔的示意图。

1997年，Foresi等人。通过在SOI晶片上将PBG结构直接集成到硅波导中，证明了纳米梁腔的概念。该纳米束腔在谐振波长1.56 micro; m处的模态体积( V )为0.055 micro; m³，Q因子为265。这种PBG波导微腔的高Q / V比和大带隙使得它比传统的叠层镜腔更具优势。一般来说，Q因子和模体积是用来表征光腔的，高Q / V是许多应用，如滤波器、激光器和高Purcell因子所需要的。后来，为了通过微妙地调谐腔体缺陷及周围的空穴几何来提高Q / V比，人们进行了大量的实验和数值研究。重要的是，拉兰纳等提出了Bloch模式工程概念，揭示了PhC腔空穴几何微调的两种物理机制。第一种机制可以通过反射镜的工程实现，从而减小面外远场辐射。另一种机制涉及回收，可以理解为泄漏模式和基本模式之间的干扰。此外，作者对经典的F - P腔模型进行了修正，考虑了泄漏波能量的回收，从物理上解释了第二种机理。通过分析模型可知，回收机理符合相位匹配条件。通过对孔尺寸的细微变细，可以减小腔缺陷空间与PhC镜之间的模态失配效应，使Q / V比提高几个数量级。这些研究为纳米束腔的优化提供了重要的物理见解，是纳米束腔设计进一步发展的根本。

基于Bloch模式工程概念，在2006年由Velha等人提出。实现了Q因子为8900的纳米束腔。此外，2007年，Velha等人，试图调整腔体缺陷的长度，作为镜孔数量的函数。因此，他们获得了0.6 ( lambda; / n ) ³的模态体积和5.8万的Q因子。此外，对于纳米束腔优化的设计理念和方法也进行了许多研究。一般来说，在设计过程中，有三个元素被调制，PhC镜，腔长和锥度(图3 )。Notomi et al ，在2008年数值上提出了基于模式间隙的腔，后来Kuramochi等人提出了这种腔。在一个Q因子大于105且模态体积较小的SOI晶片上实验验证了阶梯纳米梁腔和叠层纳米梁腔。后来，针对高Q / V的纳米束腔提出了确定性方法。作者在设计过程中采用光子带计算而不是以审判为中心方法，可以节省计算费用，提高设计效率。这样就可以实现与预定波长有微小偏差的最终腔谐振。

图3 .参与PhC纳米束腔优化的三个元素。

此外，还有一些其他类型的光学微腔采用不同的限制方法。如图4a所示，平行放置两个平面反射镜，形成F-P腔。这样，谐振光子就可以在镜面之间有界，这样就可以将光限制在光腔内。由于F-P腔所提供的独特的lsquo;空气间隙rsquo;，与其他光学腔相比，具有腔长可调、与分析物易相互作用等优点。在WGM微腔中(图4b )，介质材料的圆形结构可以通过全内反射强烈地限制光场。超高光学Q (超过10⁸ )的WGM腔在极低的损耗和长的光子寿命方面比其他微腔具有显著的优势。

图4 . ( a )带有DBR的Fabry-Peacute;rot ( F-P )腔的示意图；( b )耳语画廊模式( WGM )腔的示意图。

3 .折射率传感

折射率( RI )传感是目前最突出的商业化传感技术之一，有关RI传感器的文献也非常丰富。近年来，人们提出了环形谐振器、长周期光纤光栅、表面等离子体谐振器和光子晶体等光子结构RI传感器的各种例子。在本节中，我们重点研究了使用PhC纳米束腔的RI传感器。

3.1 .感知原理

对于传感应用，可以通过测量光模区RI变化引起的PhC腔谐振波长漂移来评估RI变化。第3节概述了用于检测光模区背景折射率均匀变化的RI传感器，通常用于测定液体或气体样品的RI变化。

利用微扰理论，可以得到由介电函数Delta; ε小扰动引起的频移Delta; omega;如下：

其中E ( r )是完全线性和无扰动的介电函数ε ( r )的模剖面。考虑RI的齐次变化，即Delta; n / n在扰动区域相同，在未扰动区域为零。然后对式( 3 )给出直观的解释为：

方程( 4 )表明，频率变化与扰动区域内电场能量的比例成正比。此外，对于探测光子腔附近的纳米粒子或单个分子，腔共振波长的漂移可以给出如下：

其中lambda;为共振波长的漂移量，ε _s为背景环境的介电常数，ε _p为纳米粒子的介电常数，E_mol为纳米粒子位置处的电场，2dEr为腔内的整体光模能量，V_mol为纳米粒子的体积。从方程( 4 )和( 5 )中可以清楚地看出，小模体积和强光场集中在扰动(或传感)区域的腔更有利于产生大的共振位移，从而获得高灵敏度。

为了定量比较和评价RI传感器的性能，引入了灵敏度和检测限的概念。灵敏度定义为样品RI随单位变化的共振位移，检出限定义为能精确测量的RI变化最小。近十几年来，人们提出了各种基于PhC纳米束腔的折射率传感器，以获得优异的折射率传感性能。将详细审查这些设计的发展。

3.2感知应用

PhC RI传感器的最初工作主要采用二维PhC腔，Chow等。文献通过实验验证了环境折射率变化引起二维PhC微腔谐振波长漂移的测量。采用具有不同折射率的商用光学流体进行实验表征。该传感器的Q值为400，灵敏度为200 nm / RIU，检测限为0.002 RIU。近十几年来，由于PhC纳米束腔在实验上表现出超高Q因子，越来越多的RI传感器研究集中在一维PhC腔上。此外，PhC纳米光腔由于其有效质量和物理足迹小，在光学传感器的小型化和片上集成方面显示出明显的优势。

3.2.1在敏感性上的功效

正如第2节所介绍的，关于纳米束腔设计的最初工作大多是由光通信和数据处理的发展所推动的。因此，许多研究集中在提高Q / V比方面，这对于光滤波器、光开关等功能器件至关重要。同时，利用这些纳米束腔作为传感器也进行了一些研究。对于传感的使用，设计目标并不限于高Q / V的微机械加工的30倍之比，针对传感性能提出了诸多优化腔体设计的研究。

Wang等人。于2010年演示了利用单个纳米束腔进行RI传感的实验。如图5所示，PhC纳米束波导被设计成两个平行悬浮的纳米束，两个纳米束之间的缝隙很小。此外，这两个纳米光束在槽区形成了一维孔洞，以实现强光限制。值得注意的是，光场被限制在低RI区域。由于与电位分析物重叠较大，制备的样品在1386.5 nm处的灵敏度可达700 nm / RIU，Q因子可达500。PhC结构的参数采用光子波段软件包确定。此外，利用三维时域有限差分( FDTD )方法对所提出的传感器进行了理论评估，并在制作完成后进行了实验分析，为该传感器的表征提供了有用的方法。为了进行实验演示，本文采用嵌入InAs量子点( QD )的220 nm厚ingaasp材料膜制作传感器。这在连续波半导体激光器激发后很容易产生光致发光( PL ) 。通过单色器分散后，用液氮冷却的InGaAs相机检测PL信号。

图5 .基于PhC槽纳米束慢光波导的折射率( RI )传感器。

随着纳米束腔设计方法的发展，出现了一些超高Q纳米束腔。通常，由于检测限的优势，RI传感首选高Q腔。然而，由于缺乏光-物相互作用，超高Q因子纳米束腔提供了83 nm / RIU的灵敏度，这也指出了光模场与分析物(通常指低指数)充分重叠对于灵敏度的重要性。

为了实现高灵敏度，Yao和Shi设计了一种带宽度调制的一维PhC堆叠模式间隙腔，将35 %的电场局域在低指数区域。因此，灵敏度的测量报告为269nm / RIU，该传感器具有较宽的传感范围。在他们的实验中浸泡在水-乙醇混合物中后，所提出的传感器在50 nm宽的光谱波段仍保持约2.7万的Q因子。此外，它们的结构设计适合于在流动样本中实现传感。当用于RI传感的PhC纳米束腔时，谐振腔(高折射率材料)的结构通常将空隙空间(低折射率区域)隔离成片，这可能会潜在阻塞样品的流道。从图6a可以看出，这种PhC纳米束的结构为样品的流动提供了足够的通道。

为了进一步提高灵敏度，一些工作在光子结构中引入了不连续性。正如麦克斯韦方程所述，由于引入的不连续性导致了光场中的高折射率对比度界面，因此在低折射率区域，电场变得更强，成为满足电通量密度连续性的大不连续性。2013年，Xu等人。文献利用基于调制宽度栈腔设计的不连续性。如图6b所示，在周期性堆栈阵列之间引入了一个缝隙。该设计结合了槽波导( 光场集中在槽区 )和一维PhC腔( 光场增强并限制在腔区 )的特性。中间槽在光学模式下创建了高折射率对比度的界面。这样，大部分光场被限制在槽内(低指数区)，与分析物发生强烈的相互作用。用不同浓度的NaCl溶液进行实验，可获得410 nm / RIU的高灵敏度。在实验中，槽锥和脊锥被用来有效地引导光进入和离开传感区域。通过使用数值模拟，作者还发现随着槽宽的扩大，灵敏度增加，Q因子呈指数下降。在Q因子和灵敏度之间进行权衡后，在他们用NaCl溶液中的空腔进行的实验中，Q因子保持在10⁴左右。此外，2015年，Yang等人。报道了一个开槽的PhC纳米束腔，如图6c所示。通过在纳米光束中间引入抛物线锥形空气孔和空气槽，纳米光束腔可以在空气孔之间的低RI区域内对光场进行鲁棒限制。因此，根据模拟结果可以同时获得2.67times;10⁷的超高Q因子和750.89 nm / RIU的灵敏度。此外，本文提出的几何体显著提供了0.01 ( lambda; / n_air )

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