2012年--外文翻譯---光子晶體自準(zhǔn)直傳感器（譯文）

1、<p><b>　　中文5100字</b></p><p>　　出處：Wang Y, Wang H, Xue Q, et al. Photonic crystal self-collimation sensor[J]. Optics express, 2012, 20(11): 12111-12118.</p><p>　　光子晶體自準(zhǔn)直傳感器</p&

2、gt;<p>　　Photonic crystal self-collimation sensor</p><p>　　學(xué) 部（院）：電子信息與電氣工程學(xué)部 </p><p>　　專 業(yè)： 生物醫(yī)學(xué)工程 </p><p>　　光子晶體自準(zhǔn)直傳感器</p><p>　　Yufei Wang, Hail

3、ing Wang,Qikun Xue, and Wanhua Zheng</p><p>　　中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所、集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室</p><p><b>　　中國清華大學(xué)物理系</b></p><p>　　3、中國龍巖大學(xué)、物理與機(jī)電工程學(xué)院 </p><p>　　摘要：提出了基于二維光子晶體和采用自準(zhǔn)直

4、效應(yīng)的折疊邁克爾遜干涉儀的新型折射率傳感器，并理論研究了其性能。傳感器中包含了兩個(gè)感測區(qū)域。模擬結(jié)果表明，分支區(qū)域適用于各種范圍小指標(biāo)及精細(xì)的檢測，而反射區(qū)傾向于大變化范圍的指標(biāo)和粗略檢測。因?yàn)闆]有缺陷波導(dǎo)和無串?dāng)_信號，傳感器有望進(jìn)行單片集成，低成本，無標(biāo)記的實(shí)時(shí)并行感測。此外，展示了一種靈活設(shè)計(jì)的自準(zhǔn)直傳感器陣列。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：納米光子學(xué) 光子晶體 傳感器 瞄準(zhǔn) 光子集成電路</p>

5、;<p><b>　　介紹</b></p><p>　　基于全反射的光學(xué)傳感器，比如光纖型或者光波導(dǎo)型馬赫-澤德干涉?zhèn)鞲衅?，常常不能滿足一些實(shí)際的需求：尺寸小，高靈敏度，價(jià)格便宜和低功耗。光子晶體傳感器　　是目前一種新型的傳感器,其大約小于商業(yè)集成光傳感器三個(gè)數(shù)量級。它們有不同的類型，比如說：點(diǎn)缺陷型，線缺陷型，導(dǎo)諧振型和光子晶體激光型。</p><p>

6、;　　為了實(shí)現(xiàn)多個(gè)感測位點(diǎn)，光子晶體傳感器陣列已經(jīng)開發(fā)出來。曼德爾等人展示了基于硅波導(dǎo)與相鄰的一維光子晶體微腔的納米級光電子流體傳感器陣列。楊等人理論上研究了基于格移諧振腔側(cè)耦合到一個(gè)單一的光子晶體波導(dǎo)的傳感器陣列的性能。然而，前者是在許多單獨(dú)的硅帶上實(shí)現(xiàn)的傳感器，而不是一個(gè)單片硅板。而后者，每一空腔的感測信號可能由于在多空腔并行感測某些耦合（即串?dāng)_）相互影響，并且如果由折射率改變引起的一個(gè)信號的變化是如此之大，超出了本征頻率峰相鄰空腔

7、，所述感測信號識別將變得困難。所以，它總是導(dǎo)致信號失真串?dāng)_限制了傳感器的單片平臺上的分布。</p><p>　　自準(zhǔn)直的效應(yīng)是由株式會(huì)社小坂研究所等人發(fā)現(xiàn)，由普拉瑟等人改進(jìn)，它是光子晶體領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)。它是著名的允許非衍射光在一個(gè)無缺陷的光子晶體沒有“物理”的指導(dǎo)邊界（例如線缺陷波導(dǎo)）傳播，也使光束無串?dāng)_交叉。所述無串?dāng)_特性賦予的單個(gè)裝置的分布相對大的自由。如何利用該效應(yīng)和保持其優(yōu)先在快速發(fā)展的微納米傳感器？正

8、如我們所知，關(guān)于微型光學(xué)傳感器有兩種解決方案。一種是基于光的諧振傳播當(dāng)探測光穿過被測物體多次時(shí)。另一種是基于散射和輻射損耗引起的光強(qiáng)衰減非共振。在本文中，我們首先提出了一種基于折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀配有兩個(gè)感測區(qū)的新型二維光子晶體傳感器。該傳感器不僅采用了分支傳感區(qū)域，以使光束干涉相位的變化，還能做采用反射傳感區(qū)域以誘導(dǎo)各種干涉強(qiáng)度的種類。因此，傳感器結(jié)合的諧振和衰減傳感器的功能。其性能是由有限差分時(shí)域（FDTD）方法研究。最后，我們

9、將其應(yīng)用到靈活傳感器陣列。</p><p><b>　　仿真模型</b></p><p>　　圖1（a）該折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。（b）相同的頻率的等值線（大方形）和（小方形）其中 為（實(shí)線）和1.5為（虛線）。（c）能帶結(jié)構(gòu)分別為，。陰影區(qū)域是帶隙為，它涵蓋了自準(zhǔn)直的頻率范圍。插圖顯示了蝕刻在硅的正方形格子氣柱形成的無缺陷的光子晶體。（d）分離器透射率

10、和反射率。 </p><p>　　如圖1（a）所示，所提出的折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀是由一個(gè)分離器和四個(gè)反射鏡M1，M2，M3和M4組成。無缺陷的二維光子晶體的設(shè)計(jì)平臺包括方形晶格氣柱蝕刻折射率為3.5的硅。氣柱半徑，其中a是晶格常數(shù)。在波矢量空間中的第二頻帶的TE（平行于氣柱的軸線的磁場）的頻率等高線，表示光子晶體在頻率范圍和之間有方形的頻率等高線（c是光在自由空間中的速度），它分別在圖1（b）中被表示為大，小

11、的實(shí)線正方形。在這些頻率并且在垂直于頻率等高線的四個(gè)平分散體表面的方向，一個(gè)窄的光束可以在光子晶體內(nèi)傳播，而不衍射，這就是所謂的自準(zhǔn)直效應(yīng)。有趣的是，如果空氣柱中注射的一些納米流體，這兩個(gè)輪廓將縮回而不破壞正方形的形狀，其被表示為圖1（b）中的大，小的虛線正方形。這是因?yàn)殡S著的增加，有效折射率的增加，整個(gè)帶結(jié)構(gòu)向下移動(dòng)。但是，光仍然和以前一樣保持自準(zhǔn)直透射的特性。</p><p>　　所述反射鏡是由另一種類型半徑

12、為0.392a的光子晶體構(gòu)成的，這導(dǎo)致帶隙在和之間（參照圖1（c）），因此，100％的折射率被用于自準(zhǔn)直光束 。通過將光子晶體氣柱在ΓΜ方向的半徑擴(kuò)大到0.434a，所述分離器具有在26.44％和54.61％之間的透射率，以及72.74％和41.46％的反射率，這顯示在圖1（d）中。一束5a寬的光從輸入端口射入。經(jīng)分離器后，將其分成兩束沿兩個(gè)不同的分支方向發(fā)送，即分支1和分支2（參照圖1的（a））。當(dāng)他們到達(dá)M4，它們分別反射，然后再次

13、分裂，并最終在出口干涉。在圖1（a）中，粗紅色箭頭線表示在折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀的自準(zhǔn)直光束的傳播路徑。氣柱在M4和分支2的部分，其在圖1（a）中分別被示為反射傳感區(qū)域和分支傳感區(qū)域，被填充折射率從1.0提高到1.5的納米流體。</p><p><b>　　仿真結(jié)果與分析</b></p><p>　　圖2（a）隨反射傳感區(qū)域的由1.0變到1.5折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉

14、儀的透射譜，插圖顯示第三透射峰隨在1.0和1.15之間變化。（b）M4在范圍的帶隙。（c）沒有M4的折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀透射譜。（d）和（ e）分別表示頻率為 的光隨在1.0和1.5之間變化的穩(wěn)態(tài)磁場分布。（f）FOM*傳感器在反射傳感區(qū)域的運(yùn)作。</p><p>　　仿真面積為。完全匹配層吸收邊界條件適用于周圍計(jì)算領(lǐng)域。首先，只有反射傳感區(qū)域被使用。由2D FDTD驗(yàn)證的計(jì)算結(jié)果表明，在自準(zhǔn)直頻率范圍內(nèi)獲得

15、具有</p><p>　　傳輸率超過80％的透射峰，在反射傳感區(qū)域中的空氣氣柱中是1.0時(shí)，這表示在圖2（a）中。隨著的增加，各透射峰的強(qiáng)度卻降低了。圖2（a）顯示，在1.0和1.15之間的情況下這種降低幅度很小。但是當(dāng)被保持提高到1.5時(shí)，由于M4的帶隙，透射率低于在中央頻率范圍中的峰的5％，這導(dǎo)致自準(zhǔn)直光束反射率的下降。圖2（b）清楚地表明的增加導(dǎo)致M4的帶隙變窄和移向更低的頻率。當(dāng)增大超過1.33，帶隙移出

16、自準(zhǔn)直的頻率范圍。在這種情況下，M4僅僅從M4和無缺陷的光子晶體形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中獲得低反射率。分離器引起的自準(zhǔn)直光束的幾乎相等的強(qiáng)度的破壞性干擾。因此，對應(yīng)于該范圍的透射率急劇減小。當(dāng)這些頻率遠(yuǎn)離中心時(shí)，透射率增加一點(diǎn)，這是因?yàn)閮墒獾膹?qiáng)度有很大差別從而導(dǎo)致不完全的干涉相消發(fā)生。從對應(yīng)于的透射光譜，我們可以看到一些峰出現(xiàn)。透射光譜是類似于沒有M4的折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀透射譜（例如薩格納自準(zhǔn)直干涉儀），其示于圖2（c）。峰的數(shù)量為約2

17、倍，當(dāng)?shù)陀?.4時(shí)（見圖2（a）），這是由于光路長度在干涉儀中增大到了2倍。對于低于1.33，盡管在M4中的光穿透深度隨改變，光束之間在兩個(gè)分支的光路長度差不受影響。因此</p><p><b>　　根據(jù)方程</b></p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　其中為由折射率變化在一個(gè)固定的波長引起的相

18、對強(qiáng)度變化。最大值14.7對應(yīng)于頻率，這意味著一個(gè)具有這個(gè)頻率的自準(zhǔn)直光束對反射傳感區(qū)域折射率變化最敏感。</p><p>　　圖3（a）對于分支傳感區(qū)域從1.00提高到1.15的透射譜。紅色箭頭指示一個(gè)傳輸峰的紅移。（b）由所述移位峰值波長的線性擬合得到的靈敏度。k是斜率。（c）（d）分別為1.15和1.09時(shí)頻率為的光的穩(wěn)態(tài)磁場分布。</p><p>　　其次，只有分支傳感區(qū)域被利用。

19、當(dāng)分支傳感區(qū)域中的空氣柱從1.00提高到1.15時(shí)，有效折射率增加，從而導(dǎo)致峰值的頻率減小。對應(yīng)于各種所獲得的光譜具有正弦的形狀，并在透射峰偏移到較低的頻率以幾乎相同的峰值間隔，示于圖3（a）。對應(yīng)到j(luò)的一個(gè)峰移標(biāo)有紅色箭頭。這里，j為整數(shù)，表示第j個(gè)峰值。由此可以看出，該峰的總偏移幾乎是一個(gè)峰間距。我們推斷光路徑差與相同第j個(gè)想干峰的關(guān)系如下：</p><p><b>　　（2）</b>&

20、lt;/p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　其中，，，分別是光子晶體，反射鏡（M2或M3）和分支傳感區(qū)域的有效折射率。，，分別是分支1，2與分支傳感區(qū)域的長度。 是在反射鏡中光的穿透深度，是移位峰值波長。我們假設(shè)在峰的頻移范圍內(nèi)，光子晶體有效折射率的種類可以忽略不計(jì)，即。換句話說，有效折射率的變化不是由于頻率的種類而是。我們用（2）式減去（3）式，

21、并得到</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　從在和1.15相應(yīng)的峰值波長，以及與 的關(guān)系，通過求解方程（4）我們得到j(luò)=52.93，即j≈53。用j和其他參數(shù)代入方程（2），我們證實(shí)，方程兩邊的數(shù)值相等。對于傳感器的靈敏度的確認(rèn)上述理論分析是必要的。</p><p>　　從圖3（b）中，我們可以看到位移在1.00和1

22、.15之間的范圍內(nèi)幾乎是線性增加，因此，線性擬合被用于獲得的靈敏度為157.5，其中RIU是折射率單位。如果我們假設(shè)該光譜檢測器的光譜分辨率為10pm，數(shù)值模擬表明，折射率的可檢測的最小的變化約為。此外，靈敏度可通過增加分支的路徑差的長度從而得到提高。我們還計(jì)算了FOM，其由謝里引入并在我們以前的工作進(jìn)行了計(jì)算。它被表示為</p><p><b>　?。?）</b></p>&

23、lt;p>　　其中fwhm是在最大值處一半的諧振帶寬。在我們的例子中，fwhm≈11nm，從而導(dǎo)致FOM≈13.3。計(jì)算出的靈敏度，F(xiàn)OM和與近期報(bào)道的光子晶體和等離子傳感器的數(shù)據(jù)相媲美。此外，相同類型的光子晶體器件，如對稱或者非對稱馬赫 - 曾德自準(zhǔn)直干涉儀，也可以用作傳感器。然而，根據(jù)我們的計(jì)算，以相同大小的靈敏度比，所提出的折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀傳感器的下部。這是折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀的傳感方面的優(yōu)點(diǎn)，用于探測的光可以穿

24、過分支傳感區(qū)域的2次。而對于非對稱或?qū)ΨQ馬赫 - 曾德自準(zhǔn)直干涉儀，光穿過的分支傳感區(qū)域僅一次。在折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀中，同樣的變化將導(dǎo)致更大的光程差和傳輸峰值產(chǎn)生更大的轉(zhuǎn)變。</p><p>　　圖3（c）和（d）分別表明頻率為 光在和1.09時(shí)的穩(wěn)態(tài)磁場分布。很顯然，當(dāng)= 1.15時(shí)，光幾乎完全從輸出口出來，并且所檢測到的透射率是94.60％。而對于= 1.03時(shí)，光主要在折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀中震蕩。

25、所有的峰值傳輸由于由分離器和反射鏡引入的插入損耗而不能到達(dá)最大值。</p><p>　　圖4在分支傳感區(qū)域（黑色虛線）和反射傳感區(qū)域（紅色虛線）氣柱中具有頻率為的光隨從1.00變化到1.15的透射率。</p><p>　　當(dāng)試用反射傳感區(qū)域時(shí)， 在1.00和1.15之間的頻率為范圍的光的透射率緩慢下降，從98.68％降至86.94％（見圖4）。但是，如果我們使用的是分支傳感區(qū)域，透射率變化

26、很大時(shí)，從98.68％降至5.78％，又升回94.60％。在此范圍內(nèi)，基于反射傳感區(qū)域的傳感器的靈敏度比基于分支傳感區(qū)域的傳感器的要低得多。然而，如果的范圍擴(kuò)大，即從1.0至1.5，基于分支傳感區(qū)域的傳感器的透射峰將紅移超過峰間隔.因此感應(yīng)范圍的峰值是有限的。而對于基于反射傳感區(qū)域的傳感器，透射率將隨的增加而單調(diào)減少?？紤]到如果有什么不對的強(qiáng)度讀數(shù)，基于反射傳感區(qū)域的傳感器將不容易識別，我們只把它應(yīng)用在大指標(biāo)的變化范圍的檢測?；诜种?/p>

27、感區(qū)域的傳感器傾向于小范圍和精指標(biāo)檢測。據(jù)此，大的和小的指標(biāo)范圍檢測納米流體均可以以這樣的單折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀傳感器來實(shí)現(xiàn)。也許我們可以首先進(jìn)行基于反射傳感區(qū)域的傳感以獲得近似指標(biāo)的范圍，然后由基于分支傳感區(qū)域的傳感器確認(rèn)納米流體的精確指標(biāo)。</p><p><b>　　傳感器陣列的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　圖5單片集成并行自準(zhǔn)直傳感器陣列結(jié)構(gòu)示意圖。表

28、示在自準(zhǔn)直的中心頻率分離器的能量反射/透射的比率為1:1，而代表的比率為1：2。 M是反射鏡。除集成分離器和反射鏡，無缺陷的光子晶體分布在芯片的空白的地方。</p><p>　　在這里，我們設(shè)計(jì)的單片集成并行自準(zhǔn)直傳感器陣列，它充分利用了在無缺陷的光子晶體中無串?dāng)_自準(zhǔn)直光束。如圖5所示，光是由外部的光纖在輸入口射入，然后分成三束光束，分別在三個(gè)獨(dú)立折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀傳感器完成感測任務(wù)。一些反射鏡是被靈活的安

29、裝的傳感器共用，以減少制造工藝。最后，分別從端口1，2和3中，輸出三個(gè)感測信號，并且被耦合到所述的纖維且由外部功率計(jì)或光譜儀接收。雖然傳感信號與光子晶體的輸入光交叉，但是沒有串?dāng)_引起的失真。更實(shí)用的自準(zhǔn)直傳感器陣列將基于光子晶體板，或絕緣硅扳。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果將在我們今后的工作中顯示。對于1550nm附近工作波長，單個(gè)傳感器的尺寸是約20×20。雖然這里僅3個(gè)傳感器集成在單片電路板上，但根據(jù)透射光束的距離達(dá)厘米尺寸的自準(zhǔn)直光束，

30、在并行感測中理想的總數(shù)可達(dá)250，不考慮單個(gè)元件的插入損耗。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　我們提出了基于二維光子晶體折疊邁克爾遜自準(zhǔn)直干涉儀的一種新型折射率傳感器并通過FDTD仿真研究了其性能。兩個(gè)感應(yīng)區(qū)域，即反射傳感區(qū)域和分支傳感區(qū)域，為傳感器扮演不同的角色。它不僅可以實(shí)現(xiàn)在大指標(biāo)變化范圍和粗略檢測，也使用于小指標(biāo)范圍及精細(xì)檢測。充

31、分利用無串?dāng)_的優(yōu)點(diǎn)，我們將傳感器應(yīng)用到并行傳感器陣列。盡管一些參數(shù)沒有被充分利用的，它不會(huì)影響我們的設(shè)備傳感的特性的分析。因?yàn)闆]有缺陷的波導(dǎo)，無串?dāng)_和小尺寸，傳感器和傳感器陣列有望進(jìn)行單片集成，低成本，無標(biāo)記實(shí)時(shí)感測。</p><p><b>　　鳴謝</b></p><p>　　作者感謝陳喜耀教授和羌澤軒教授的有價(jià)值的討論。這項(xiàng)工作是由中國國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究專項(xiàng)基金（