13、光子晶体生物传感器：原理、应用与性能分析

光子晶体生物传感器：原理、应用与性能分析

1. 引言

光子晶体生物传感器是一类利用光子晶体（PhC）原理工作的生物传感设备。这里对“光子晶体”采用了较为宽泛的定义，只要在相关研究描述中使用了该术语，就纳入讨论范围。

光子晶体结构的核心特征是其光学性质具有空间周期性，这种周期性可以是一维、二维或三维的。一维周期性结构常被光学物理学家和工程师称为“衍射光栅”，例如在光谱学中，它能使准直光束的传播方向随波长（频率）发生变化。当准直光束包含一定光谱范围的光时，衍射光栅会将光分散到相应的角度范围，通过合适的校准检测系统就能测量波长。

一维周期性的“光子晶体”结构与传统衍射光栅的衍射方式类似，可视为衍射光栅的特殊形式。而将空间周期性扩展到二维或三维时，“光子晶体”这一术语的使用更为贴切，这与经典晶体材料对X射线的布拉格衍射过程类似，由于原子的周期性排列，在合适的探测器板上会产生规则的衍射“斑点”，通过测量相应角度可确定晶体的对称性和原子/分子的晶格位置。

在分布式反馈（DFB）和分布式布拉格反射器（DBR）激光器中常用的一维周期性光栅结构，在一阶操作中，周期性光栅内的正向和反向各只有一个导波模式，通过布拉格散射耦合这两个模式来实现反馈和/或反射。

光子晶体结构的信息和能量传输由布洛赫模式在特定频率下的总群速度控制，而布洛赫模式在周期性介质中的速度由光子晶体中光子“原子”的规则排列产生的相干多次（布拉格）散射决定。

2. 光子晶体结构的特性与设计

2.1 微腔结构

光子晶体中谐振微腔的形成通常涉及对周期性的可控偏离，例如在原本完美周期性的光子晶体内部插入大小不同的“缺陷”，或者使周期性光