光子晶體pc微納傳感器的應(yīng)用

光子晶體pc微納傳感器的應(yīng)用

1pc傳感技術(shù)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)傳感器性能的要求越來(lái)越高。1978年,普林斯頓大學(xué)的John等PC微納傳感技術(shù)作為一種全新的傳感器基礎(chǔ)技術(shù),與傳統(tǒng)的傳感技術(shù)相比,具有響應(yīng)時(shí)間短、體積小、易集成、抗干擾能力強(qiáng)以及可實(shí)現(xiàn)無(wú)標(biāo)簽檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)。目前,國(guó)內(nèi)外主要的PC傳感器根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域可分為溫度傳感器、生物傳感器、濕度傳感器、化學(xué)傳感器、氣體傳感器和壓力傳感器等,根據(jù)其結(jié)構(gòu)特性主要可分為一維、二維、三維PC傳感器等。本文聚焦于近年來(lái)研究較多的基于一維納米束PC和二維平板PC的微納傳感器,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳感性能提升的角度,綜述了PC微納傳感關(guān)鍵技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展,并探討了其未來(lái)應(yīng)用發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)。2基于光學(xué)特性的一維納米束pc傳感技術(shù)一維納米束PC是介電常數(shù)只在一個(gè)方向上呈周期性變化的PC,基于其所設(shè)計(jì)的光學(xué)微腔具有品質(zhì)因子(Q)高、模式體積(V)低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小等優(yōu)點(diǎn),常被用于傳感器的設(shè)計(jì)。PC微腔結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性可以通過(guò)Q與V的比值(又稱為珀塞爾因子)來(lái)衡量,珀塞爾因子越高,光物反應(yīng)越強(qiáng)烈,從而可使光學(xué)傳感器獲得更高的分辨率和靈敏度。因此,設(shè)計(jì)高品質(zhì)因子和低模式體積的光學(xué)微腔對(duì)實(shí)現(xiàn)高性能的PC微納傳感器非常重要。高性能一維納米束PC微腔的設(shè)計(jì)理念經(jīng)歷了一個(gè)逐漸發(fā)展的研究過(guò)程,提高納米束腔Q值的典型研究見(jiàn)表1。1997年,美國(guó)的的Foresi等一維納米束腔按光的局域位置,一般可分為介質(zhì)模腔、空氣模腔和槽腔,如圖1所示。因光的局域位置不同,其與物質(zhì)相互作用的強(qiáng)度也不同,靈敏度也不同。2.1從中心到兩側(cè)孔的設(shè)計(jì)原理一維納米束PC的介質(zhì)模腔可將其光學(xué)模式主要局域在高折射率區(qū)域,易于獲得高Q值和低模式體積,因此其是研究較多的一種微腔類型。介質(zhì)模納米束腔通過(guò)操縱能帶的介質(zhì)模能帶邊緣,將微腔中心結(jié)構(gòu)的介質(zhì)帶隙邊緣局域到波導(dǎo)兩側(cè)孔的光子帶隙中,可使諧振模的光場(chǎng)主要局域在高折射率區(qū)域,能帶如圖2所示,其中k為波矢大小相對(duì)于π/a的歸一化常量,a為晶格常數(shù)。具體的設(shè)計(jì)可從中心到兩側(cè)逐漸減小孔的尺寸、增大晶格常數(shù)等,本質(zhì)上是從中心到兩側(cè)逐漸增大每個(gè)晶胞的有效折射率,使光子帶隙逐漸向低能級(jí)移動(dòng),從而使目標(biāo)的諧振模位于光子帶隙的邊緣內(nèi)側(cè)。一維納米束PC介質(zhì)模腔不僅控光能力強(qiáng),在實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)也非常靈活,近幾年一維納米束PC介質(zhì)模腔用于傳感領(lǐng)域的典型結(jié)構(gòu)及其傳感特性見(jiàn)表2。2011年,哈佛大學(xué)的Quan等2.2基于空氣模腔的一維納米束pc傳感技術(shù)基于介質(zhì)模的一維PC納米束腔具有較強(qiáng)的光子局域能力,但其光場(chǎng)模式主要局域在高折射率的介質(zhì)中,不利于光和低折射率區(qū)域中物質(zhì)的反應(yīng),因此在一定程度上制約了靈敏度的提高。因此,為了進(jìn)一步提高靈敏度,增強(qiáng)光與低折射率區(qū)域物質(zhì)的反應(yīng),研究人員提出了一種基于空氣模的一維納米束PC微腔結(jié)構(gòu)?？諝饽＜{米束腔通過(guò)操縱能帶的空氣模帶隙邊緣,將中心腔孔的空氣帶隙邊緣局域到波導(dǎo)兩側(cè)孔的PC帶隙中,可使光場(chǎng)主要局域在低折射率區(qū)域,能帶如圖3所示。設(shè)計(jì)本質(zhì)是從中心到兩側(cè)逐漸減小每個(gè)晶胞的有效折射率,使光子帶隙逐漸向高能級(jí)移動(dòng),從而使目標(biāo)諧振模位于光子帶隙的邊緣內(nèi)側(cè)。近幾年一維納米束PC空氣模腔用于傳感領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)及其傳感特性見(jiàn)表3。2015年,哈佛大學(xué)的Liang等2.3基于結(jié)構(gòu)腔的一維納米束pc槽結(jié)構(gòu)通過(guò)前文分析可知,通過(guò)增強(qiáng)光在低折射率介質(zhì)中的能量分布以增強(qiáng)光物之間相互作用是提高傳感器檢測(cè)靈敏度的一種有效方法。相較于介質(zhì)模腔和空氣模腔,槽結(jié)構(gòu)腔的諧振光場(chǎng)主要局域在槽波導(dǎo)中,光物的接觸面積更大,光物反應(yīng)更加充分,因此可進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度。近幾年,一維納米束PC槽結(jié)構(gòu)腔在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用及其結(jié)構(gòu)和傳感特性見(jiàn)表4。2010年,荷蘭的Wang等基于上述分析可知,將光場(chǎng)局域到低折射率區(qū)域中,可有效提高傳感器的靈敏度。對(duì)大部分傳感器而言,靈敏度越高越好,如何在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度,研究人員仍然在探索。對(duì)于基于PC結(jié)構(gòu)的傳感器,當(dāng)前還沒(méi)有非常有效的方法,根據(jù)目前為數(shù)不多的研究可知,PC表面?？赡苁且粋€(gè)重要方向,一維PC表面模缺陷腔在傳感中的典型應(yīng)用見(jiàn)表5。2017年,燕山大學(xué)的陳穎等3基于三角晶片式結(jié)構(gòu)的二維pc傳感技術(shù)二維PC是介電常數(shù)在二維空間呈周期性排列的結(jié)構(gòu),相對(duì)于一維PC,二維PC的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加靈活多樣,能夠依據(jù)需求而構(gòu)造各種不同的高性能傳感器,如折射率傳感器、生化傳感器、壓力傳感器等。典型的二維PC結(jié)構(gòu)是由一些圓的或方的介質(zhì)柱在空氣背景中排列成六方晶系(三角晶格),或由空氣孔在介質(zhì)背景中規(guī)則排列而成的。在理論、實(shí)驗(yàn)研究及實(shí)際應(yīng)用中,二維PC微腔傳感器多以三角晶格空氣孔型平板作為基礎(chǔ)平臺(tái),相較于介質(zhì)柱型的二維PC,其在橫電(TE)模式下具有較大的光子帶隙,并且對(duì)光子具有很強(qiáng)的局域效應(yīng),因此通過(guò)破壞二維PC的完美結(jié)構(gòu)從而形成的各種缺陷微腔可用于高品質(zhì)因子、高靈敏度及低探測(cè)極限的傳感器檢測(cè)。近年研究較多的二維平板PC傳感器按其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不同可分為點(diǎn)缺陷腔傳感器、異質(zhì)結(jié)構(gòu)腔傳感器、慢光波導(dǎo)傳感器以及導(dǎo)模諧振傳感器等。不同結(jié)構(gòu)的傳感器性能也有所不同。3.1維平板pc傳感關(guān)鍵技術(shù)通過(guò)去除、增加或移動(dòng)等方式改變二維PC結(jié)構(gòu)中的完美周期性結(jié)構(gòu),可以構(gòu)成點(diǎn)缺陷腔。點(diǎn)缺陷腔由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、易集成以及光場(chǎng)局域性能良好等優(yōu)點(diǎn),是二維平板PC微腔的一類重要結(jié)構(gòu),在PC傳感器中的應(yīng)用也較多。設(shè)計(jì)高性能的二維平板PC點(diǎn)缺陷腔對(duì)其后續(xù)應(yīng)用非常重要,類似于一維納米束PC微腔,其設(shè)計(jì)理念和性能也分別經(jīng)歷了一個(gè)逐漸發(fā)展和不斷優(yōu)化的過(guò)程,典型的基于二維平板PC點(diǎn)缺陷腔的設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵性能見(jiàn)表6。2003年,日本京都大學(xué)的Akahane等二維平板PC點(diǎn)缺陷腔具有簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和良好的控光性能,在傳感領(lǐng)域得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注,近幾年其在生化傳感中的典型應(yīng)用見(jiàn)表7。2010年,新加坡的Hsiao等3.2通過(guò)結(jié)構(gòu)微腔來(lái)調(diào)節(jié)振幅模電場(chǎng)的分量異質(zhì)結(jié)構(gòu)是指整體或局部結(jié)構(gòu)漸變的PC微腔結(jié)構(gòu)。異質(zhì)結(jié)構(gòu)微腔可通過(guò)調(diào)節(jié)其結(jié)構(gòu)參數(shù),使諧振模電場(chǎng)分量的強(qiáng)度在空間上隨距離的變化更加平緩,從而減小諧振模在漏模部分的光場(chǎng)分量,有效增強(qiáng)微腔對(duì)光場(chǎng)的局域能力3.3pc慢光濾波器的應(yīng)用利用PC的慢光效應(yīng)可以減小光在波導(dǎo)中傳播的群速度,增大光場(chǎng)的能量密度,從而增大光與周?chē)镔|(zhì)的相互作用強(qiáng)度,因此常被用于高靈敏度傳感器的設(shè)計(jì)中。近幾年,PC慢光波導(dǎo)在傳感領(lǐng)域的典型應(yīng)用見(jiàn)表9。2010年,西班牙瓦倫西亞理工大學(xué)的García-Rupérez等3.4導(dǎo)模振幅模式利用導(dǎo)模諧振設(shè)計(jì)微腔實(shí)現(xiàn)傳感是二維平板PC的另一種應(yīng)用。與PC平面內(nèi)的諧振模式相比,導(dǎo)模諧振不僅可以將光從平板PC的平面內(nèi)引導(dǎo)到周?chē)h(huán)境中,從而增強(qiáng)光物之間的相互作用,而且易于激發(fā)出高的Q值,因而可用于高靈敏度低探測(cè)極限傳感器的設(shè)計(jì)中4傳感單元的耦合除了基于單一傳感單元的一維納米束PC傳感器和二維平板PC傳感器,基于多個(gè)傳感單元集成結(jié)構(gòu)的PC傳感技術(shù)近年來(lái)也得到了快速發(fā)展。相較于單傳感單元的傳感器,多傳感單元的傳感器可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能,如通過(guò)額外設(shè)置對(duì)比腔或通道以消除溫度等環(huán)境噪聲的干擾等;還可提高集成度,如可將多個(gè)傳感單元與單個(gè)或多個(gè)硅波導(dǎo)或二維PC的W1波導(dǎo)進(jìn)行耦合以復(fù)用等。復(fù)用的傳感器在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮彼此間的相互影響,通常的處理方法主要有兩種:一種是在空間上使不同的傳感單元或區(qū)域的間隔足夠大,如通過(guò)多路并聯(lián)等;另一種是在頻域上使各傳感單元微腔的諧振波長(zhǎng)在頻譜上的間隔足夠大,如通過(guò)濾波器濾除諧振腔中與傳感無(wú)關(guān)的光波模式,或通過(guò)優(yōu)化增大諧振模式的自由頻譜范圍(FSR)等。正是由于集成結(jié)構(gòu)PC傳感器設(shè)計(jì)的靈活性、應(yīng)用的廣泛性和可實(shí)現(xiàn)功能的多樣性等優(yōu)點(diǎn),其在高集成、芯片式及多功能傳感等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。4.11.納米智能成像技術(shù)4.1.1基于耦合式耦合的一維納米束pc傳感技術(shù)對(duì)一維納米束PC而言,邊腔耦合式的集成結(jié)構(gòu)主要是多個(gè)納米束腔通過(guò)邊腔耦合的方式與主硅波導(dǎo)進(jìn)行耦合。在傳感中,光源從波導(dǎo)的一端入射,傳播的過(guò)程中不同頻段的光逐一耦合到納米束微腔中,最終在波導(dǎo)末端的透射譜中,通過(guò)觀測(cè)各個(gè)下墜峰在待測(cè)參量變化下的偏移從而實(shí)現(xiàn)傳感。2008年,美國(guó)康奈爾大學(xué)Mandal等這種耦合方式直接簡(jiǎn)單,適用于高集成度傳感器芯片的制作,但是各耦合腔的性能不僅與其本身結(jié)構(gòu)有關(guān),還對(duì)腔與波導(dǎo)之間的耦合距離比較敏感,因此在設(shè)計(jì)和制作的過(guò)程中都需要對(duì)其進(jìn)行精確控制。另外,在光學(xué)檢測(cè)方案中,還要考慮到傳感信號(hào)的強(qiáng)度隨光程長(zhǎng)度的增大而減弱,對(duì)于基于一維納米束PC的集成結(jié)構(gòu),當(dāng)微腔數(shù)量較少時(shí),邊腔耦合式級(jí)聯(lián)的效果較好,集成度與傳感性能可達(dá)到很好的平衡。但當(dāng)單路集成的邊腔的數(shù)量增多時(shí),傳感信號(hào)的光程也成倍增加,其強(qiáng)度將會(huì)不斷減弱,且傳感器整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性也會(huì)減弱。4.1.2基于邊腔耦合式集成結(jié)構(gòu)的一維納米束pc傳感技術(shù)為了實(shí)現(xiàn)更高集成度、更簡(jiǎn)易的PC傳感器復(fù)用技術(shù),克服上述基于邊腔耦合式的集成復(fù)用技術(shù)的缺點(diǎn),基于一維納米束PC微腔的多腔多路復(fù)用技術(shù)近年來(lái)被提出。2011年,美國(guó)佐治亞理工學(xué)院的Adibi等4.2基于二維板層析成像結(jié)構(gòu)的微納傳感器技術(shù)4.2.1集成度和復(fù)用度2011年,美國(guó)羅切斯特大學(xué)的Pal等上述方案均有效提高了傳感器陣列的集成度和復(fù)用度。但是,集成度和復(fù)用度越高,各相鄰傳感單元的諧振腔之間的FSR越窄,這意味著各傳感單元可用于傳感的頻譜范圍越有限。當(dāng)單個(gè)傳感單元的諧振波長(zhǎng)偏移范圍超出其FSR時(shí),相鄰的傳感單元就有可能相互作用而發(fā)生串?dāng)_,這將使得傳感信號(hào)難以識(shí)別。4.2.2基于fsr的pc傳感技術(shù)為有效提高二維平板PC傳感器的集成度和復(fù)用度,另一種方案是采用多通道分別檢測(cè)的方法,即多腔多路方案。2003年,美國(guó)密歇根大學(xué)的Topol′ancˇik等在實(shí)際應(yīng)用中,當(dāng)集成的傳感單元或諧振腔的數(shù)量較少時(shí),上述方案可有效提高PC傳感器的集成度和復(fù)用度。然而,類似于一維納米束PC傳感器的集成復(fù)用,當(dāng)集成度進(jìn)一步提高時(shí),受各傳感單元諧振腔FSR的限制,串?dāng)_問(wèn)題依然存在。2015年,德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Yan等4.2.3多功能檢測(cè)技術(shù)對(duì)PC微腔進(jìn)行串并聯(lián)集成是目前提高傳感器陣列集成度、復(fù)用度以及實(shí)現(xiàn)多功能檢測(cè)的一種有效方式,在此基礎(chǔ)上,更高集成度的、芯片化、多功能的傳感器陣列被陸續(xù)提出。2014年,美國(guó)德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的Zou等5pc傳感技術(shù)的發(fā)展方向PC結(jié)構(gòu)的超小體積使基于PC的傳感器的尺寸大幅度減小。同時(shí),PC極強(qiáng)的控光能力可以提升傳感器的傳感性能,如靈敏度和探測(cè)極限等?？傊?PC獨(dú)特的光子局域特性從根本上克服了微小尺寸下控制光子的困難,使傳感器的超小型化成為可能。此外,通過(guò)