Гибридизация поверхностных плазмонов и фотонно-кристаллических резонаторов для высоких частот.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21292 (2022) Цитировать эту статью

1803 Доступов

3 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

В данной работе разработан датчик оптического показателя преломления (ПП) на основе гибридного плазмонно-фотонного кристалла (П-ФК). В конструкции датчика несколько металлических стержней встроены в фотонно-кристаллическую структуру (ФК) стержневого типа. Численное моделирование выполняется на основе метода конечных разностей во временной области (FDTD). Полученные результаты показывают, что локализованные поверхностные плазмоны (LSP), индуцированные металлическими стержнями, могут возбуждаться в решетке PhC с образованием гибридной моды P-PhC. Согласно результатам, гибридный режим предоставляет уникальные возможности. Использование металлических стержней в зонах связи волноводов с резонансной полостью существенно увеличивает взаимодействие оптического поля и аналита внутри полости. Результаты моделирования показывают, что предлагаемый гибридный датчик P-PhC обеспечивает высокую чувствительность 1672 нм/RIU и превосходный показатель качества (FoM) 2388 RIU-1. Эти значения являются самыми высокими по сравнению с чисто плазмонными датчиками и/или чисто PhC-сенсорами, описанными в литературе. Предлагаемый датчик может одновременно повысить чувствительность и значения FoM. Таким образом, предлагаемый гибридный датчик P-PhC RI является более привлекательным кандидатом для применения в приложениях с высокой чувствительностью и высоким разрешением на длинах волн оптической связи.

В последние годы датчики оптического показателя преломления (RI) широко изучались в связи с растущими потребностями в приложениях для измерения и обнаружения1,2,3. Основными параметрами для оценки характеристик датчиков на основе RI являются чувствительность и добротность (FoM)4,5,6. Оптические датчики на основе RI чувствительны к небольшим версиям RI аналита. В плазмонных сенсорах оно возникает в результате взаимодействия исчезающего поля с аналитом7. Идеальный датчик на основе RI должен быть не только очень чувствительным к небольшим версиям RI, но также должен иметь большую FoM. В связи с этим плазмонные8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 и фотонные кристаллы (ФК)20,21,22,23,24,25,26,27,28 структуры продемонстрировали наиболее многообещающие сенсорные способности. Тем не менее, существует несколько проблем для достижения наилучших характеристик восприятия. Плазмонные датчики RI усиливают взаимодействие света и материи, возбуждая поверхностные плазмонные поляритоны (SPP) и локализованные поверхностные плазмоны (LSP) на границе раздела металл-диэлектрик29,30,31. Эти структуры манипулируют светом в субволновых масштабах32,33. Однако присутствие металлов в датчиках RI на основе плазмонов приводит к большим омическим потерям и более высокой стоимости изготовления34,35,36,37. Поэтому плазмонные датчики обычно имеют лучшую чувствительность. Хотя у них уменьшен FoM из-за более высоких потерь. Напротив, датчики RI на основе PhC, как правило, имеют меньшие потери и способны обеспечить более высокий FoM38,39,40,41,42. Однако датчики PhC обычно демонстрируют небольшое перекрытие поля с аналитом, что приводит к более низкой чувствительности по сравнению с плазмонными датчиками. В конструкциях датчиков PhC стабильность исследуется из-за отклонений, которые происходят в реальных процессах изготовления43.

Благодаря упомянутым свойствам одним из привлекательных и прогрессивных методов достижения повышенной чувствительности и увеличения FoM является объединение плазмонного компонента со структурой PhC для создания усовершенствованного гибридного плазмонно-фотонного кристаллического (P-PhC) датчика44,45,46. 47,48,49. В такой гибридной структуре датчика природа поверхностных волн на границе раздела металлов повышает чувствительность, а природа фотонно-кристаллической решетки без потерь увеличивает FoM50,51,52. Таким образом, сочетание обеих функций может обеспечить выдающиеся характеристики обнаружения5,53. В последние годы исследовалась и экспериментировалась комбинация плазмонного компонента, такого как металлические пленки или металлические наноструктуры, со структурой PhC54,55,56. Гибридный датчик P-PhC превосходит отдельные плазмонные датчики и датчики PhC. Кроме того, свойства электромагнитного поля в плазмонных и ФК-структурах во многом дополняют друг друга. В конечном итоге такая гибридизация повышает общую производительность. Гибридный сенсор может расширить возможности как плазмонных, так и сенсоров на основе PhC за счет одновременного использования сильного взаимодействия света и вещества плазмонного компонента и низких потерь PhC57,58,59. Кроме того, в гибридных датчиках PhC-P используется гораздо меньше металлических материалов по сравнению с чисто плазмонными датчиками, что приводит к снижению потерь распространения и стоимости изготовления5,60.