集成微腔中的傳感技術(shù)研究文獻綜述集成光學微腔Q值很高，代表其具有很強限制光的能力，使得光子有足夠多的時間在腔內(nèi)諧振，增加了光子與物質(zhì)的相互作用。另外，當模式體積較小時，意味著光場被高度局域在腔內(nèi)，光與物質(zhì)之間的作用將進一步增強。因此，同時具有高Q值低模式體積的集成光學微腔具有很多重要的應用，超靈敏傳感便是其中之一。在一個集成光學微腔和拉錐光纖的耦合系統(tǒng)中，當一個彈性散射小顆粒附著在微腔的側(cè)壁，由于存在光的散射，簡并的諧振模式會被破壞，產(chǎn)生一個CW和CCW的傳輸分量。當兩個分量發(fā)生耦合作用，就會產(chǎn)生諧振模式的移動[138-140]和劈裂現(xiàn)象[141-143]。當模式劈裂程度小于其線寬，會引起模式的展寬[144,145]。如果顆粒具有非彈性散射特性，它會吸收一部分光子從而也使諧振模式展寬。由此可見，集成微腔在納米顆粒傳感的應用上，主要表現(xiàn)在諧振光譜的移動、劈裂和展寬。圖117利用回音壁模式移動測量單個病毒裝置[146]Figure117Singlevirusdetectionfromthereactiveshiftofawhispering-gallerymode[146]2008年美國哈佛大學研究團隊利用集成微腔成功實現(xiàn)探測流感病毒[146]。為確定方案的可行性，研究人員先用該系統(tǒng)測量半徑為250nm的PS小球。當透射光譜發(fā)生明顯的移動，可以判斷此時有PS小球附著在腔體表面，其中光譜移動最大時意味著PS小球吸附在腔體光場分布最強的位置。在測量過程中，人們發(fā)現(xiàn)小球沒有吸附在腔體時也能被探測，因此該方法可以動態(tài)的測量納米顆粒和微腔的吸附過程，如圖1-17所示，最終科研人員成功探測到半徑為50nm的病毒分子。2013年哈佛大學Crozier等人利用一維光子晶體微腔實現(xiàn)對直徑為80nm的銀納米顆粒探測[147]，諧振波長偏移量和納米顆粒的數(shù)量成正相關(guān)。2015年哈佛大學Quan等人利用Q值高達2.5×105的光子晶體微腔探測到最小直徑為1.8nm的金納米顆粒[148]。圖118圓球微腔對拉錐光纖的探測示意圖[149]Figure118Schematicofdetectionoftaperedfiberbysphericalmicrocavity[149]a)微球腔實現(xiàn)拉錐光纖的探測裝置a)Microspherecavitytorealizetaperedfiberdetectiondeviceb)2號探測器采集的雙峰光譜b)AnexampleofthedoubletspectrumrecordedonPD2利用諧振光譜劈裂的特征，研究人員也做了一系列相關(guān)工作。2007年瑞士研究人員用一根拉錐光纖取代納米顆粒去靠近微球諧振腔，實驗中共使用三個光電探測器[149]，如圖1-18a)所示。經(jīng)棱鏡收集后1號探測器測量透射光譜，2號探測器利用多模光纖采集微球腔的散射光譜，3號探測器接收拉錐光纖的光信號。其中2號探測器可以接收到劈裂的光譜如圖1-18b)所示，當探針沿著微球的不同徑向、方位角和極性方向移動，諧振光譜劈裂的程度將隨之改變，證明了該方案的可行性。2010年華盛頓大學Yang課題組利用兩根拉錐光纖靠近微腔，同樣觀察到模式劈裂，改變光纖位置能夠動態(tài)調(diào)控劈裂的模式，在頻率和線寬上分別出現(xiàn)交叉和反交叉的現(xiàn)象[150]。同年該課題組通過一個Q值高達108的微腔成功探測到納米顆粒的尺寸[151]，如圖1-19所示。研究人員首先測量沒有納米顆粒附著的微腔透射光譜，確保自身不存在模式劈裂。然后動態(tài)增加附著納米顆粒的數(shù)量，觀察透射光譜的實時變化。只有一個納米顆粒附著時，單個洛倫茲型譜線劈裂成兩個峰，逐漸增加納米顆粒的數(shù)量，劈裂后的兩個峰半高寬隨之變大。由于納米顆粒附著的位置具有很大的隨機性，連續(xù)增加顆粒的數(shù)量并不會導致半高寬的持續(xù)變化。為深入研究納米顆粒和模式劈裂之間作用的機理，研究人員建立模型進行理論推導，得出納米顆粒的尺寸和兩個劈裂模式的耦合強度及線寬增加三者之間的關(guān)系。推算出納米顆粒的尺寸與電子掃描顯微鏡（Scanningelectronmicroscope,SEM）測量的實際尺寸對比，平均誤差不超過3%，具有很大的應用價值。值得注意的是，該方法不受納米顆粒的位置影響，這也是和諧振波長偏移傳感機制的最大區(qū)別。圖119實驗裝置與微環(huán)腔納米顆粒傳感系統(tǒng)[151]Figure119Experimentalset-upandcoupledmicrotoroidcavity-nanoparticlesystem[151]a)實驗裝置示意圖a)Schematicoftheexperimentalset-upc)測量結(jié)構(gòu)渲染圖及微腔橫截面模擬場圖c)Renderingimageofmeasuredstructureandthecrosssectionoffieldprofileb)微環(huán)腔納米顆粒傳感機制圖b)Nanoparticlesensingmechanismbymicrotoroidd)附著在微腔表面的納米顆粒電鏡照片d)TheSEMofananoparticledepositedupontheresonator如果模式劈裂程度小于線寬，在光譜上即表現(xiàn)出模式展寬。造成模式展寬的原因主要有兩個，其一是由兩個劈裂模式的耦合強度決定，另一個是由納米顆粒引起的散射強度決定。當待測納米顆粒足夠小，模式展寬主要由前者造成，這是實現(xiàn)納米顆粒傳感的基本原理[152]。和模式劈裂不同的是，模式展寬對微腔的Q值沒有太高要求。除此之外，它對激光頻率噪聲和熱波動的敏感度很低，這些優(yōu)點使模式展寬傳感機制具有更強的適用性。2013年北京大學Xiao團隊利用該機制探測到半徑為70nm的PS小球[153]。在實驗中，為確認模式展寬是由納米顆粒引起，研究人員使用了輕微變形的微腔。傳統(tǒng)情況下，科研人員均使用圓形微腔和拉錐光纖的耦合系統(tǒng)，然而由于光纖穩(wěn)定性較差易受機械振動影響，在耦合過程中容易造成本征的模式展寬。因此，該團隊提出利用變形微腔，采用自由空間直接耦合和收集光譜，有效的避開上述問題。為抑制實驗過程中探測激光帶來的熱光噪聲和環(huán)境溫度變化引起的波長漂移，研究人員在微腔外壁包裹一層PDMS，實驗裝置如圖1-20所示。最終，當微腔外壁附著的納米顆粒逐漸增加，模式的線寬也隨之有規(guī)律的展寬。圖120納米顆?；蚵《緳z查的自由空間耦合系統(tǒng)[153]Figure120Free-spacecouplingsystemfornanoparticles/lentivirusesdetection[153]a)使用自由空間耦合系統(tǒng)探測PS納米顆粒和病毒的實驗裝置示意圖a)ExperimentalsetupforPSnanoparticlesandvirusdetectionusingafree-spacecouplingsystemc)涂有PDMS的變形微腔電鏡照片c)TheSEMofaPDMScoateddeformedmicrotoroidb)具有不同耦合效率但相同線寬的兩個自由空間透射光譜b)Twofree-spacetransmissionspectrafordifferentcouplingefficiencieswiththesamelinewidthd)附著在微腔表面的納米顆粒電鏡照片d)TheSEMofananoparticledepositedonthemicrotoroidsurface參考文獻LeeH-K,ChoH-S,KimJ-Y,etal.AWDM-PONwithan80Gb/sCapacityBasedonWavelength-LockedFabry-PerotLaserDiode[J].OpticsExpress,2010,18(17):18077-18085.LinG-R,LiaoY-S,ChiY-C,etal.Long-CavityFabry-PerotLaserAmplifierTransmitterwithEnhancedInjection-LockingBandwidthforWDM-PONApplication[J].JournalofLightwaveTechnology,2010,28(20):2925-2932.MondalS,RoycroftB,LambkinP,etal.AMultiwavelengthLow-PowerWavelength-LockedSlottedFabry-PerotLaserSourceforWDMApplications[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2007,19(10):744-746.ShihFY,YehCH,ChowCW,etal.UtilizationofSelf-InjectionFabry-PerotLaserDiodeforLong-ReachWDM-PON[J].OpticalFiberTechnology,2010,16(1):46-49.BarwiczT,PopovicMA,RakichPT,etal.Microring-Resonator-BasedAdd-DropFiltersinSiN:FabricationandAnalysis[J].OpticsExpress,2004,12(7):1437-1442.HryniewiczJ,AbsilP,LittleB,etal.HigherOrderFilterResponseinCoupledMicroringResonators[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2000,12(3):320-322.LittleB,ChuS,AbsilP,etal.VeryHigh-OrderMicroringResonatorFiltersforWDMApplications[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2004,16(10):2263-2265.LittleBE,ChuST,HausHA,etal.MicroringResonatorChannelDroppingFilters[J].JournalofLightwaveTechnology,1997,15(6):998-1005.ChenW,?zdemir?K,ZhaoG,etal.ExceptionalPointsEnhanceSensinginanOpticalMicrocavity[J].Nature,2017,548(7666):192-196.HeL,?zdemir?K,ZhuJ,etal.DetectingSingleVirusesandNanoparticlesUsingWhisperingGalleryMicrolasers[J].NatureNanotechnology,2011,6(7):428-432.LuT,LeeH,ChenT,etal.HighSensitivityNanoparticleDetectionUsingOpticalMicrocavities[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2011,108(15):5976-5979.WardJM,YangY,LeiF,etal.NanoparticleSensingBeyondEvanescentFieldInteractionwithaQuasi-DropletMicrocavity[J].Optica,2018,5(6):674-677.AkahaneY,AsanoT,SongB-S,etal.High-QPhotonicNanocavityinaTwo-DimensionalPhotonicCrystal[J].Nature,2003,425(6961):944-947.BoseR,SridharanD,KimH,etal.Low-Photon-NumberOpticalSwitchingwithaSingleQuantumDotCoupledtoaPhotonicCrystalCavity[J].PhysicalReviewLetters,2012,108(22):227402.C