Hybridisierung von Oberflächenplasmonen und photonischen Kristallresonatoren für hohe

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 21292 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In dieser Arbeit wird ein optischer Brechungsindexsensor (RI) entwickelt, der auf einem hybriden plasmonisch-photonischen Kristall (P-PhC) basiert. In der Struktur des Sensors sind einige Metallstäbe in eine stabförmige photonische Kristallstruktur (PhC) eingebettet. Numerische Simulationen werden auf Basis der Finite-Differenzen-Zeitdomänen-Methode (FDTD) durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse veranschaulichen, dass die durch Metallstäbe induzierten lokalisierten Oberflächenplasmonen (LSP) in einem PhC-Gitter angeregt werden können, um einen hybriden P-PhC-Modus zu erzeugen. Den Ergebnissen zufolge bietet der Hybridmodus einzigartige Möglichkeiten. Die Verwendung von Metallstäben in den Kopplungsbereichen zwischen Wellenleitern und dem Resonanzhohlraum erhöht die Wechselwirkung zwischen dem optischen Feld und dem Analyten innerhalb des Hohlraums erheblich. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass für den vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-Sensor eine hohe Empfindlichkeit von 1672 nm/RIU und ein ausgezeichneter Gütefaktor (FoM) von 2388 RIU−1 erzielt werden. Diese Werte sind im Vergleich zu den in der Literatur berichteten rein plasmonischen und/oder rein PhC-Sensoren am höchsten. Der vorgeschlagene Sensor könnte gleichzeitig die Empfindlichkeit und die FoM-Werte verbessern. Daher ist der vorgeschlagene Hybrid-P-PhC-RI-Sensor ein faszinierenderer Kandidat für hochempfindliche und hochauflösende Sensoranwendungen bei optischen Kommunikationswellenlängen.

In den letzten Jahren wurden optische Brechungsindexsensoren (RI) aufgrund der wachsenden Anforderungen an Sensor- und Detektionsanwendungen eingehend untersucht1,2,3. Die wichtigsten Parameter zur Beurteilung der Sensorleistung von RI-basierten Sensoren sind Empfindlichkeit und Gütezahl (FoM)4,5,6. Die optischen RI-basierten Sensoren reagieren empfindlich auf kleine RI-Versionen des Analyten. Bei plasmonischen Sensoren entsteht es durch die Wechselwirkung des evaneszenten Feldes mit dem Analyten7. Ein perfekter RI-basierter Sensor sollte nicht nur gegenüber kleinen RI-Versionen hochempfindlich sein, sondern auch über ein großes FoM verfügen. In dieser Hinsicht plasmonisch8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 und photonischer Kristall (PhC)20,21,22,23,24,25,26,27,28 Strukturen haben die vielversprechendsten Sensorfähigkeiten gezeigt. Dennoch gibt es einige Herausforderungen, um die beste Sensorleistung zu erzielen. Auf Plasmonik basierende RI-Sensoren verstärken die Licht-Materie-Wechselwirkung, indem sie die Oberflächenplasmonpolaritonen (SPP) und lokalisierten Oberflächenplasmonen (LSP) an der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche anregen29,30,31. Diese Strukturen manipulieren Licht innerhalb von Subwellenlängenskalen32,33. Das Vorhandensein von Metallen in plasmonischen RI-Sensoren führt jedoch zu großen ohmschen Verlusten und höheren Herstellungskosten34,35,36,37. Daher weisen plasmonische Sensoren normalerweise eine höhere Empfindlichkeit auf. Allerdings haben sie aufgrund ihrer höheren Verluste einen geringeren FoM. Im Gegensatz dazu weisen PhC-basierte RI-Sensoren tendenziell geringere Verluste auf und können einen höheren FoM liefern38,39,40,41,42. PhC-Sensoren weisen jedoch häufig eine geringe Feldüberlappung mit dem Analyten auf, was im Vergleich zu plasmonischen Sensoren zu einer geringeren Empfindlichkeit führt. Bei PhC-Sensorstrukturen wird die Stabilität aufgrund von Abweichungen untersucht, die in den tatsächlichen Herstellungsprozessen auftreten43.

Aufgrund der genannten Eigenschaften besteht eine der attraktivsten und fortschrittlichsten Techniken zur Erzielung einer höheren Empfindlichkeit und eines größeren FoM darin, eine plasmonische Komponente mit einer PhC-Struktur zu kombinieren, um einen fortschrittlichen hybriden plasmonisch-photonischen Kristallsensor (P-PhC) zu schaffen44,45,46, 47,48,49. In einer solchen hybriden Sensorstruktur erhöht die Beschaffenheit der Oberflächenwelle an der Metallgrenzfläche die Empfindlichkeit und die verlustfreie Beschaffenheit des photonischen Kristallgitters verbessert den FoM50,51,52. Daher kann die Kombination beider Funktionen eine herausragende Sensorleistung liefern5,53. In den letzten Jahren wurde die Kombination einer plasmonischen Komponente wie Metallfilmen oder metallischen Nanostrukturen mit einer PhC-Struktur erforscht und experimentiert54,55,56. Der hybride P-PhC-Sensor übertrifft die einzelnen plasmonischen und PhC-Sensoren. Darüber hinaus sind die Eigenschaften des elektromagnetischen Feldes in plasmonischen und PhC-Strukturen in vielerlei Hinsicht komplementärer Natur. Durch eine solche Hybridisierung wird letztendlich die Gesamtleistung verbessert. Der Hybridsensor kann die Fähigkeiten sowohl plasmonischer als auch PhC-basierter Sensoren erweitern, indem er gleichzeitig die starke Licht-Materie-Wechselwirkung der plasmonischen Komponente und die geringen Verluste des PhC57,58,59 nutzt. Darüber hinaus wird in Hybrid-PhC-P-Sensoren im Vergleich zu rein plasmonischen Sensoren viel weniger Metallmaterial verwendet, was zu einer Reduzierung der Ausbreitungsverluste und Herstellungskosten führt5,60.

In dieser Arbeit wird ein hybrider P-PhC-RI-Sensor entworfen, bei dem einige Metallstäbe in eine stabartige Si-PhC-Struktur eingebettet sind. Durch die Verwendung von Metallstäben in den Kopplungsbereichen zwischen den Eingangs- und Ausgangswellenleitern und dem Resonanzhohlraum wird das Wechselwirkungsvolumen des optischen Felds und des Analyten innerhalb des Hohlraums erheblich erhöht. Durch die Erhöhung der Licht-Analyt-Wechselwirkung im Hohlraum werden die Empfindlichkeit und der FoM des Sensors erheblich verbessert. Dabei sind die konzipierten RI-Sensoren kennzeichnungsfrei. Um die gesamte Sensorleistung der vorgeschlagenen Sensorstruktur weiter zu bewerten, vergleichen wir drei RI-Sensorstrukturen, darunter den PhC-Sensor ohne Metallstäbe und den Hybrid-P-PhC-Sensor mit zwei und vier Metallstäben in Kopplungsbereichen. Anschließend werden die Parameter der Metallstäbe wie Länge, Periode und Radius der Analytregion untersucht. Numerische Simulationen werden auf Basis der Finite-Differenzen-Zeitdomänen-Methode (FDTD) durchgeführt. Für den vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-Sensor werden eine Empfindlichkeit von 1672 nm/RIU und ein recht hoher FoM von 2730 RIU−1 erreicht. Basierend auf den Erkenntnissen der Autoren sind diese Werte im Vergleich zu den in der Literatur berichteten rein plasmonischen und/oder rein PhC-Sensoren am höchsten. Dieses Papier ist wie folgt aufgebaut: Im Abschnitt „Sensoranalyse von RI-Sensoren“ wurden die theoretischen Grundlagen von RI-Sensoren vorgestellt. Im Abschnitt „Theorie und Analyse der Oberflächenplasmonenanregung in PhC-Strukturen“ wird die theoretische Analyse der SPP- und LSP-Anregung in einer PhC-Struktur untersucht. Im Abschnitt „Konfiguration des vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-Sensors“ werden die Konfiguration und Analysemethoden des vorgeschlagenen Hybridsensors beschrieben. Im Abschnitt „Ergebnisse und Diskussionen“ werden die Simulationsergebnisse vorgestellt. Der Abschnitt „Schlussfolgerungen“ schließlich dient den Schlussfolgerungen.

Der optische Brechungsindex (RI) eines Mediums ist ein wichtiger optischer Parameter zur Erklärung der Licht-Materie-Wechselwirkungen61. Wir werden zwei wesentliche Parameter verwenden, um die Erfassungsleistung optischer RI-Sensoren50 zu charakterisieren:

Empfindlichkeit (S)

Gütezahl (FoM)

Alle Sensoren müssen hinsichtlich ihrer Empfindlichkeit und FoM-Werte bewertet werden. Es wird bevorzugt, dass die Werte beider Parameter viel höher sind. Wie in Abb. 1 dargestellt, sorgt in einem optischen RI-Sensor ein variierender RI des Analyten (\({\Delta }n\)) für eine Verschiebung der Resonanzwellenlänge (\({\Delta }\lambda\)) und/oder Frequenz (\({\Delta }\omega\)) in der optischen Übertragungsantwort des Sensors.

Die Erfassungsleistung eines optischen RI-Sensors.

Mithilfe der Störungstheorie kann die Resonanzfrequenzverschiebung (\(\Delta \omega\)) wie folgt bestimmt werden20,62:

wobei \(E_{0}\) und \(H_{0}\) die ursprünglichen elektrischen bzw. magnetischen Felder sind. \(\mu\) und \(\varepsilon\) sind die Permeabilität bzw. Permittivität. \(W\) steht für die Gesamtenergie, die im Resonanzhohlraum gespeichert ist, und \(W_{e}\) und \(W_{m}\) sind die elektrische bzw. magnetische Energiedichte. Wenn sich \(\mu\) nicht ändert, gilt Gl. (1) kann wie folgt vereinfacht werden20,53:

wobei \(\varepsilon_{0}\) die Permittivität des freien Raums ist, \(\varepsilon_{r}\) die relative Permittivität (\(\varepsilon_{r} = n^{2} /\mu_{r }\)) und \(\mu_{r}\) ist die relative Permeabilität. Aus Gl. (2) kann die optische Resonanzfrequenzverschiebung (\({\Delta }\omega\)) angenähert werden durch \({\Delta }\omega /\omega_{0} = - \sigma \left( {\delta n /n} \right)\), wobei \(\sigma\) von dem Teil der Energie des Resonanzmodus abhängt, der in der Analytregion gespeichert ist, und \(\delta n\) die RI-Variation ist. Dadurch ist die spektrale Empfindlichkeit (\({\text{S}}\)) des optischen RI-Sensors, die die Resonanzwellenlängenverschiebung (\({\Delta }\lambda\)) für ein gegebenes \(\delta n) liefert \) bei der Resonanzwellenlänge (\(\lambda_{0}\)) kann wie folgt ausgedrückt werden53:

wobei nm/RIU die Empfindlichkeitseinheit (\({\text{S}}\)) ist. In dieser Hinsicht ist FoM ein weiterer Erfassungsparameter zur Untersuchung der Auflösung des optischen RI-Sensors. FoM wird berechnet, indem die Empfindlichkeit (\({\text{S}}\)) auf die Bandbreite der vollen Breite bei halbem Maximum (FWHM) im Resonanzmodus normiert wird. FoM wird wie folgt berechnet53:

Durch Erhöhung der Empfindlichkeit und Verringerung der FWHM-Bandbreite wird FoM erhöht. FoM ist auch proportional zum Qualitätsfaktor (\(Q\)), wobei \(Q = \lambda_{0} /{\text{FWHM}}\). Daher kann FoM ausgedrückt werden als \({\text{FoM}} = {\text{S}}.Q/\lambda_{0}\). Um über einen wünschenswerten optischen RI-Sensor zu verfügen, sind daher eine hohe Empfindlichkeit und ein hoher FoM erforderlich.

Damit Photonen Oberflächenplasmonen anregen können, müssen sie die gleichen Frequenzen und Impulse haben. Die Dispersionsbeziehung für ein SPP, das sich an der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche ausbreitet, kann wie folgt abgeleitet werden:

Dabei ist \(\omega\) die Frequenz des einfallenden Lichts und \(c\) die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. \(\varepsilon_{m}\) und \(\varepsilon_{d}\) sind frequenzabhängige Permittivitäten von Metall bzw. Dielektrikum (hier ist es der Analyt). Der Wellenvektor (k) und die Dispersionskurve ermöglichen uns ein besseres Verständnis der Eigenschaften der Ausbreitungsmoden und der Kopplungsnotwendigkeiten für die Wellenvektoranpassung.

LSPs sind lokalisierte Plasmaschwingungen, die auf der Oberfläche metallischer Nanopartikel angeregt werden können. Durch die Anregung von LSPs werden die elektromagnetischen Felder in der Nähe der Partikeloberfläche erheblich verstärkt. Im Gegensatz zu sich ausbreitenden Oberflächenplasmonen benötigen LSPs keine spezielle Beleuchtungsanordnung zur Phasenanpassung und können leicht durch direkte Lichteinstrahlung angeregt werden63,64.

Da man weiß, dass der Impuls eines Photons, das sich im freien Raum ausbreitet (\(k_{0} = \omega /c\)), kleiner ist als der Impuls von Oberflächenplasmonen, haben sie bei keiner bestimmten Frequenz den gleichen Impuls. Daher können Oberflächenplasmonen an der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche nicht direkt durch optische Strahlen angeregt werden65. Um sich ausbreitende Oberflächenplasmonen in plasmonischen Geräten anzuregen, muss man daher Kopplungstechniken wie Prismen, Gitter, Fasern und Wellenleiter verwenden50. In diesem Zusammenhang können durch ein plasmonisches Element induzierte Oberflächenplasmonen durch einen PhC-Wellenleitermodus angeregt werden. Die lineare Dispersionsbeziehung eines PhC-Wellenleiters kann wie folgt angenähert werden66:

Dabei ist \(a\) die Gitterkonstante, \(D\) die Größe der photonischen Bandlücke (PBG) und \(n_{eff}\) der effektive Brechungsindex. Da der effektive Brechungsindex einer PhC-Struktur größer ist als der Brechungsindex von Luft (n = 1), ist der Wellenvektor (\(k\)) einer PhC-Struktur größer als der von Luft (Freiraum). Daher kann für die vorgeschlagene hybride P-PhC-Struktur der Impuls der Oberflächenplasmonen, die sich an der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche ausbreiten, mit dem Impuls der PhC-Moden in der PBG-Region abgeglichen werden. Daher können die gekoppelten LSPs in der PhC-Struktur durch PhC-Moden angeregt werden, ohne dass andere Impulsanpassungstechniken erforderlich sind. Die Anregung von Oberflächenplasmonen im PhC hängt von der Position und den geometrischen Parametern der Metallelemente ab.

Die zweidimensionale (2D) schematische Ansicht der vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-RI-Sensorstruktur ist in Abb. 2 dargestellt. Die Struktur besteht aus einer stabartigen PhC-Struktur und einigen Metallstäben, die sich in den Kopplungsbereichen zwischen Wellenleitern befinden und der Resonanzraum von PhC. In dieser Struktur wird ein zweidimensionales quadratisches Gitter aus Siliziumstäben (Si) verwendet, das von einem Lufthintergrund umgeben ist. Ihre RIs betragen n = 3,45 bzw. n = 1. Die Gitterkonstante wird mit \(a\) = 645 nm angenommen. Der Radius von Si-Stäben beträgt \(r\) = 0,22 \(a\). Wie in Abb. 2 dargestellt, verfügt die PhC-Struktur über einen Resonanzhohlraum, einen Eingangswellenleiter an der Unterseite des Hohlraums und einen Ausgangswellenleiter an der Oberseite des Hohlraums. An den Ecken des Resonanzhohlraums werden vier Si-Streustäbe mit dem reduzierten Radius von rs = 0,18a verwendet, um eine Lichtstreuung und Rückstreuung in die Wellenleiter zu verhindern.

Schematische 2D-Ansicht der vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-RI-Sensorstruktur.

Wie in Abb. 2 zu sehen ist, wird für die vorgeschlagene Struktur der Resonanzhohlraum dem Analyten ausgesetzt, der von einer dünnen SiO2-Schicht (n = 1,42) umgeben ist. Wenn das elektromagnetische Feld mit dem Analytbereich überlappt, variiert der RI des Analyten, was zu einer Verschiebung der Resonanzwellenlänge führt. Um die Feldüberlappung mit dem Analyten zu verbessern, werden einige Metallstäbe an der Ober- und Unterseite des Resonanzhohlraums in den Kopplungsbereichen zwischen Eingangs- und Ausgangswellenleitern und dem Hohlraum eingesetzt. Die Gitterkonstante metallischer Stäbe wird mit am = a angenommen. Es wird angenommen, dass die Radien von Metallstäben den Radien von Si-PhC-Stäben entsprechen (\(r_{m}\) = \(r\) = 0,22\(a\)). Als Material für Metallstäbe wurde Silber (Ag) gewählt, da es im Vergleich zu anderen Metallen eine viel geringere Absorption aufweist. Hier wird die Permittivitätsfunktion von Ag basierend auf den experimentellen Ergebnissen von Johnson und Christy67 modelliert. Um die Oxidation des Ag-Metalls zu verhindern, befindet sich zwischen der Analytlösung und den Ag-Metallstäben eine dielektrische Schicht aus SiO2. Dadurch werden nicht die gesamten Teile der Sensorstruktur dem Analyten ausgesetzt. Alle Strukturparameter der vorgeschlagenen Sensorstruktur sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

In der vorgeschlagenen Sensorstruktur wird ein Gaußsches Quelllicht in den Eingangswellenleiter von PhC eingekoppelt, der die transversale magnetische (TM) Polarisation unterstützt. Die durch die Metallstäbe an der Unterseite des Resonanzhohlraums induzierten Oberflächenplasmonen werden durch die Einkopplung des vom Eingangswellenleiter in den Hohlraum einfallenden Lichts angeregt. Anschließend werden die durch die Metallstäbe auf der Oberseite des Resonanzhohlraums induzierten Oberflächenplasmonen durch die Kopplung von Licht aus dem Hohlraum in Richtung des Ausgangswellenleiters angeregt. In dieser Hybridstruktur ist die richtige Anregung metallinduzierter Oberflächenplasmonen sehr wichtig. Die angeregten LSPs werden kooperativ an die PhC-Leitmodi gekoppelt, um einen hybriden PhC-P-Modus zu erzeugen.

Um einen besseren Einblick zu erhalten, zeigt Abb. 3 die Magnetfeldverteilung (|H|) für den vorgeschlagenen Hybridsensor bei der Resonanzwellenlänge von 1860 nm. In dieser Abbildung sind die Metallstäbe schematisch mit gelben Kreisen markiert. Aber diese gelben Kreise wurden in der vergrößerten Abbildung entfernt, um das teilweise Eindringen des Feldes in die Metallstäbe zu sehen. Es ist ersichtlich, dass die durch Metallstäbe in Kopplungsregionen induzierten LSPs in der PhC-Struktur ordnungsgemäß angeregt werden. Wie im vergrößerten Ausschnitt in Abb. 3 zu sehen ist, ist das optische Feld an der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche von Metallstäben stark begrenzt und erstreckt sich in Richtung des Analytbereichs im Hohlraum. Bei den Si-Stäben hingegen ist der größte Teil des optischen Feldes in das Innere der Stäbe eingedrungen. Daher wird durch die Kombination der LSPs der Metallstäbe mit PhC-Führungsmodi ein hybrider PhC-P-Modus erzeugt, um die Empfindlichkeit und Auflösung des vorgeschlagenen Sensors zu erhöhen.

Die Magnetfeldverteilung (|H|) für den vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-Sensor bei der Resonanzwellenlänge von 1860 nm.

Um den Mechanismus hinter der Lichtleitung vom Eingangswellenleiter zum Ausgangswellenleiter zu beschreiben, kann die Theorie der gekoppelten Moden verwendet werden. Die in Abb. 4a gezeigte Struktur ist ein bekanntes schematisches Modell, das auf der Theorie der gekoppelten Moden zur Beschreibung optischer Filter basiert, die auf Wellenleitern basieren, die am Ende an einen Resonator gekoppelt sind. In dieser Struktur ist ein Resonanzhohlraum mit zwei Single-Mode-Wellenleitern verbunden, die die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse bilden. Licht wird vom Eingangswellenleiter in den Hohlraumresonator eingekoppelt und dann in den Ausgangswellenleiter eingekoppelt. Im Resonanzhohlraum gibt es einen Resonanzmodus mit der Frequenz \(\omega_{0}\), der mit den Lebensdauern \(\tau_{i}\) und \(\tau_{o}\) in beide zerfällt Wellenleiter. Anschließend ist in Abb. 4b eine schematische Darstellung des Lichtkopplungssystems für die vorgeschlagene Sensorstruktur dargestellt. Die Struktur von Abb. 4b ist ein Sonderfall der Struktur von Abb. 4a. In der vorgeschlagenen Sensorstruktur werden die elektrischen Feldprofile im Resonanzhohlraum und in den Wellenleitern separat ermittelt und in Abb. 4b schematisch zusammengefügt, um eine bessere Übersicht zu bieten. In Wirklichkeit ist die Feldstärke im Resonanzhohlraum viel höher. Es ist erwähnenswert, dass die Resonanz in unserem Fall eine stehende Welle ist und im Gegensatz zu Ringresonatoren das Licht im Hohlraum nicht rotiert. Da das Resonanzprofil des Hohlraums dem Wellenleiter-Modenprofil ähnelt, kann es als Einspeisung dienen und die geführten Moden in den Wellenleitern anregen. Obwohl die Kopplungsbereiche denen von Richtkopplern ähneln, ist der Kopplungsmechanismus nicht derselbe, da sich das Licht im Hohlraum nicht dreht. Ähnlich wie bei der Struktur in Abb. 4a gelten die Lebensdauern von \(\tau_{i}\) und \(\tau_{o}\) auch für die Kopplungsbereiche in Abb. 4b.

(a) Schematische Darstellung eines gekoppelten Wellenleiter-Hohlraum-Wellenleitersystems für die Theorie der gekoppelten Moden. (b) Schematische Darstellung des Lichtkopplungsmechanismus für die vorgeschlagene Hybrid-P-PhC-RI-Sensorstruktur.

In Abb. 4a sind \(S_{in + }\) und \(S_{in - }\) die Eingangs-/Ausgangsfeldamplituden des Modus im Eingangswellenleiter und \(S_{out + }\) und \(S_{out - }\) sind die Eingangs-/Ausgangsfeldamplituden des Modus im Ausgangswellenleiter. Die Feldamplitude einer einzelnen Resonanzmode im Hohlraum beträgt \(A\). Unter Berücksichtigung von \(S_{out + } = 0\) kann das Übertragungsspektrum eines gekoppelten Wellenleiter-Hohlraum-Wellenleiter-Systems theoretisch mithilfe der Theorie des gekoppelten Modus wie folgt definiert werden68:

Das Transmissionsspektrum kann wie folgt ermittelt werden68:

Unter der Annahme der Symmetriebedingung \(\tau_{i} = \tau_{o}\) ist die Gesamtlebensdauer gegeben durch \(1/\tau = 1/\tau_{i} + 1/\tau_{o} = 2/ \tau_{i}\). Gemäß \(Q = \omega_{0} \tau /2\) und \(1/\tau_{i} = 1/\tau_{o} = \omega_{0} /4Q\) ist das Transmissionsspektrum in Der Qualitätsfaktor \(Q\) kann wie folgt ausgedrückt werden68:

Abbildung 5 zeigt eine schematische Ansicht des Versuchsaufbaus, der für den vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-RI-Sensor verwendet wird. Dieser Aufbau umfasst eine optische Lichtquelle, einen Polarisationsregler, einen optischen Spektrumanalysator (OSA), einen Computer und den vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-RI-Sensor. Wie zu sehen ist, ist für die vorgeschlagene Hybridsensorstruktur ein mikrofluidischer Kanal in der Mitte des Sensoranalytbereichs integriert, um die Stabilität und Genauigkeit des Sensors zu verbessern. Die Analytlösung tritt durch den Lösungseinlass in die Analyt-Mikrofluidikzelle ein und verlässt sie durch den Lösungsauslass.

Das Schema des Versuchsaufbaus, der für den vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-RI-Sensor verwendet wird.

Wir, die Unterzeichner, erklären, dass das Manuskript mit dem Titel „Hybridization of Surface Plasmon Polaritons and Photonic Crystal Resonators for High-Sensitivity and High-Resolution Sensing Applications“ ein Original ist, noch nie ganz oder teilweise veröffentlicht wurde und derzeit nicht für eine anderweitige Veröffentlichung in Betracht gezogen wird . Außerdem werden die Ergebnisse klar, ehrlich und ohne Erfindungen, Verfälschungen oder unangemessene Datenmanipulationen präsentiert. Wir bestätigen, dass das Manuskript von allen genannten Autoren gelesen und genehmigt wurde und dass es keine weiteren Personen gibt, die die Kriterien für die Autorenschaft erfüllen, aber nicht aufgeführt sind. Wir bestätigen weiterhin, dass die im Manuskript aufgeführte Reihenfolge der Autoren von uns allen genehmigt wurde.

Die Methode der endlichen Differenzen im Zeitbereich (FDTD) wird verwendet, um die Erfassungsleistung der vorgeschlagenen Hybridsensorstruktur und die Auswirkungen der Metallstäbe in der Hybridsensorstruktur zu bewerten. In x- und y-Richtung werden Randbedingungen für perfekt angepasste Schichten (PML) verwendet, um die außerhalb der Struktur emittierten Wellen zu absorbieren. In alle Richtungen ist die Sensorstruktur in der Größe von 5 nm vermascht. Die Bandstruktur von PhC, die in der vorgeschlagenen Hybrid-PhC-P-Struktur verwendet wird, kann mithilfe der Methode der ebenen Wellenexpansion (PWE) berechnet werden. Abbildung 6 zeigt den PBG-Bereich in der Bandstruktur von PhC, die im vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-RI-Sensor verwendet wird. Der berechnete PBG hat einen normalisierten Frequenzbereich von 0,28–0,38 (\(a/\lambda\)). Somit beträgt der Wellenlängenbereich 1666 nm bis 2307 nm.

Die Bandstruktur von PhC, die im vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-RI-Sensor verwendet wird.

Abbildung 7 zeigt die Auswirkung des Radius von Si-PhC-Stäben (\(r\)) auf das Transmissionsspektrum des PhC-Sensors ohne Metallstäbe. Als Analytbasis wird Wasser (n = 1,33) gewählt. Wie zu sehen ist, weist das Transmissionsspektrum des PhC-Sensors mehrere Resonanzmodi auf. Hier haben wir eine Resonanz bei der Wellenlänge 1855 nm betrachtet. Durch Erhöhen der Größe \(r\) wird die Resonanzwellenlänge zu höheren Wellenlängen hin verschoben. Wir haben \(r\) = 0,22 \(a\) gewählt. Um die Sensorleistung des vorgeschlagenen Sensors weiter zu bewerten, wurde die Auswirkung der RI-Variation des Analyten auf die Transmissionsspektren von drei RI-Sensorstrukturen untersucht, darunter ein PhC-Sensor ohne Metallstäbe, ein hybrider P-PhC-Sensor mit zwei Metallstäben in Kopplungsbereichen und der Der vorgeschlagene Hybrid-P-PhC-Sensor mit vier Metallstäben in Kopplungsbereichen ist in Abb. 8a – c dargestellt. Es wird angenommen, dass sich der Analyt-RI von 1,33 auf 1,34 ändert.

Die Auswirkung des Radius von Si-PhC-Stäben (\(r\)) auf das Transmissionsspektrum des PhC-Sensors ohne Metallstäbe.

Die Auswirkung der RI-Variation des Analyten auf die Transmissionsspektren von drei RI-Sensorstrukturen, darunter (a) PhC-Sensor ohne Metallstäbe, (b) Hybrid-P-PhC-Sensor mit zwei Metallstäben und (c) vorgeschlagener Hybrid-P-PhC-Sensor mit vier Metallstäbe in Kopplungsbereichen.

Wie in Abb. 8a dargestellt, weist das Transmissionsspektrum der PhC-Sensorstruktur ohne Metallstäbe einige Resonanzmoden auf. Zum Vergleich dreier Strukturen haben wir hier den Resonanzmodus bei der Wellenlänge von 1855 nm mit einer FWHM-Bandbreite von etwa 20 nm betrachtet. Wie man sieht, verschiebt sich die Resonanzwellenlänge um 6,55 nm, wenn man den RI des Analyten von 1,33 auf 1,34 ändert. Es bietet einen Empfindlichkeitswert von 655 nm/RIU und einen FoM-Wert von 33 RIU−1.

Abbildung 8b zeigt den hybriden P-PhC-Sensor mit zwei Metallstäben in Kopplungsbereichen. Es verfügt über zwei Resonanzmodi. Wir haben den Resonanzmodus bei der Wellenlänge von 1856 nm mit einer Bandbreite von etwa 2,7 nm betrachtet. Es ist ersichtlich, dass das Hinzufügen von Metallstäben anstelle von Si-Stäben in Kopplungsbereichen die FWHM-Bandbreite verringert. Allerdings weisen diese Metallstäbe ohmsche Verluste auf. Aus dieser Abbildung lässt sich für den Analyt-RI, der sich von 1,33 auf 1,34 ändert, eine Wellenlängenverschiebung von 14,07 nm beobachten. Es führt zu einem hohen Empfindlichkeitswert von 1407 nm/RIU und einem guten FoM-Wert von 521 RIU−1. Die Empfindlichkeits- und FoM-Werte des hybriden P-PhC-Sensors mit zwei Metallstäben sind etwa 2,14- bzw. 15,7-mal größer als die der reinen PhC-Sensorstruktur. Abbildung 8c zeigt den hybriden P-PhC-Sensor mit vier Metallstäben in Kopplungsbereichen. Wir haben den Resonanzmodus bei der Wellenlänge von 1860 nm betrachtet. Es verfügt über eine ultraschmale FWHM-Bandbreite von 0,75 nm. Aus diesem Wert erfährt die Resonanzwellenlänge durch Änderung des Analyt-RI von 1,33 auf 1,34 eine erhebliche Verschiebung um 16,38 nm. Man erhält einen höheren Empfindlichkeitswert von 1638 nm/RIU und einen größeren FoM-Wert von 2184 RIU−1. Diese erhaltenen Werte sind etwa 1,16- bzw. 4,19-mal größer als die des hybriden P-PhC-Sensors mit zwei Metallstäben. Schließlich sind diese Werte etwa 2,5 bzw. 66,18 Mal größer als die des reinen PhC-Sensors. Den erzielten Ergebnissen zufolge kann die vorgeschlagene Hybridstruktur als Hochleistungs-RI-Sensor für Biosensoranwendungen dienen.

Abbildung 9 zeigt eine lineare Beziehung zwischen der betrachteten Resonanzwellenlänge und den Brechungsindizes von n = 1,33 bis 1,4 für die drei Sensorstrukturen (ein PhC-Sensor ohne Metallstäbe, ein Hybrid-P-PhC-Sensor mit zwei Metallstäben und der vorgeschlagene Hybrid-P -PhC-Sensor mit vier Metallstäben). In dieser Abbildung schätzen die berechneten Steigungen der linearen Kurven den Empfindlichkeitswert der RI-Sensoren. Die Empfindlichkeit des vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-Sensors mit vier Metallstäben ist im Vergleich zu den beiden anderen Sensorstrukturen höher. Um einen besseren Einblick zu erhalten, zeigt Abb. 10a–c die Verteilungen magnetischer und elektrischer Felder (|H| und |E|) bei den betrachteten Resonanzmoden für jeweils drei Sensorstrukturen. Abbildung 10a,b veranschaulichen die Feldprofile von |H| und |E| für den reinen PhC-Sensor bei der Resonanzwellenlänge von 1855 nm. Es ist zu beobachten, dass die maximale Feldverteilung hauptsächlich innerhalb des Resonanzhohlraums konzentriert ist.

Resonanzwellenlänge von drei Sensorstrukturen als Funktion der Brechungsindizes des Analyten.

Die Verteilungen magnetischer und elektrischer Felder (|H| und |E|) für drei RI-Sensorstrukturen, einschließlich (a) |H| für PhC-Sensor ohne Metallstäbe bei 1855 nm, (b) |E| für PhC-Sensor ohne Metallstäbe bei 1855 nm (c) |H| für Hybrid-P-PhC-Sensor mit zwei Metallstäben bei 1856 nm, (d) |E| für Hybrid-P-PhC-Sensor mit zwei Metallstäben bei 1856 nm, (e) |H| für den vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-Sensor mit vier Metallstäben bei 1860 nm und (f) |E| für den vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-Sensor mit vier Metallstäben bei 1860 nm.

Abbildung 10c,d veranschaulichen die Feldprofile von |H| und |E| für den Hybrid-P-PhC-Sensor mit zwei Metallstäben bei der Resonanzwellenlänge von jeweils 1856 nm. Wie man sieht, ist das Feld an der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche stark begrenzt. Es bestätigt die durch Metallstäbe induzierte Anregung von LSPs. Im Vergleich zu den reinen PhC-Sensoren ist die Feldintensität beim hybriden P-PhC-Sensor mit zwei Metallstäben stärker. Dies stellt ein größeres Wechselwirkungsvolumen zwischen dem Analytbereich und dem optischen Feld dar. Die Erhöhung des Interaktionsvolumens sorgt für eine größere Empfindlichkeit gegenüber RI-Variationen. Abbildung 10e,f veranschaulichen die Feldprofile von |H| und |E| für den Hybrid-P-PhC-Sensor mit vier Metallstäben bei der Resonanzwellenlänge von jeweils 1860 nm. Wie man sieht, ist die Feldintensität an der Metall-Dielektrikum-Grenzfläche und innerhalb des Hohlraums viel stärker als beim reinen PhC-Sensor und beim hybriden P-PhC-Sensor mit zwei Metallstäben.

Abbildung 11a zeigt die Auswirkung der Variationen der Hohlraumlänge (\(l\)) auf das normalisierte Transmissionsspektrum des vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-Sensors. Die Länge wird in einem Schritt von 645 μm von 2,85 auf 5,43 μm erhöht. Die anderen geometrischen Parameter bleiben unverändert. Wie in dieser Abbildung dargestellt, ist der für \(l\) = 2,85 μm, \(l\) = 3,495 μm und \(l\) = 4,14 μm erhaltene Resonanzmodus mit „Modus A“ gekennzeichnet und der erhaltene Resonanzmodus für \(l\) = 4,785 μm und \(l\) = 5,43 μm ist mit „Modus B“ gekennzeichnet. Abbildung 11b zeigt, dass die Modi A und B durch die Vergrößerung der Länge eine Rotverschiebung zu höheren Wellenlängen aufweisen und der Qualitätsfaktor abnimmt. Wenn die Länge des Analytbereichs \(l\) = 4,785 μm beträgt, entspricht sein Resonanzverhalten bei der Wellenlänge von 1861 nm dem Fall, dass zwei Analytbereiche mit einer Länge von 2,85 μm miteinander verbunden sind. Die Auswirkung der Längenänderung auf die Erfassungsleistung wird in Abb. 11c bewertet. Es wird erwartet, dass die Sensorempfindlichkeit mit der Vergrößerung des Erfassungsbereichs steigt. Eine Vergrößerung der Kavität verringert jedoch den Qualitätsfaktor und erhöht den Verlust. Dies liegt daran, dass auch der Kopplungskoeffizient erhöht wird, was den Qualitätsfaktor verringert. Basierend auf Abb. 11c wird durch die Vergrößerung der Länge die Empfindlichkeit erhöht und der FoM verringert. Die maximale Empfindlichkeit von 1685 nm/RIU wird für \(l\) = 5,43 \(\mu\) m erhalten, und die maximale FoM von 2388 RIU−1 wird für \(l\) = 4,785 μm erreicht. Daher haben wir \(l\) = 4,785 μm für die vorgeschlagene Hybrid-P-PhC-Sensorstruktur gewählt.

(a) Das normalisierte Transmissionsspektrum als Funktion der Länge des Analytbereichs (\(l\)), (b) Die Auswirkung der Länge auf die Resonanzwellenlänge und den Qualitätsfaktor, (c) Die Auswirkung der Länge auf die Empfindlichkeit und FoM.

Abbildung 12 zeigt die Auswirkung der Änderung der Periode von Metallstäben auf das normalisierte Transmissionsspektrum des vorgeschlagenen hybriden P-PhC-Sensors, für den \(l\) = 4,785 μm. Die Gitterkonstante metallischer Stäbe wird mit „\(a_{m}\)“ gekennzeichnet. Abbildung 12a–c zeigt Fälle, in denen \(a_{m}\) = 2 \(a\), \(a_{m}\) = 1,5 \(a\) und \(a_{m}\) = 0,5 \ (a\). Die anderen geometrischen Parameter bleiben unverändert. Wie in Abb. 12a gezeigt, wird durch die Änderung des Analyt-RI von 1,33 auf 1,34 die Resonanzwellenlänge um 14,13 nm verschoben. Somit ergibt sich für \(a_{m}\) = 2 \(a\) eine Empfindlichkeit von 1413 nm/RIU. Anschließend zeigen Abb. 12b, c eine Empfindlichkeit von 1487 nm/RIU und 1648 nm/RIU für \(a_{m}\) = 1,5 \(a\) und \(a_{m}\) = 0,5 \(a \), jeweils. Darüber hinaus sind die berechneten Qualitätsfaktoren für \(a_{m}\) = 2 \(a\), \(a_{m}\) = 1,5 \(a\) und \(a_{m}\) = 0,5 \ (a\) sind 622, 2657 bzw. 928. Mit zunehmender Feldleckage nimmt die Lebensdauer \(\tau\) ab. Infolgedessen wird durch Erhöhen der Periode der Metallstäbe \(Q\) verringert. Andererseits erhöht sich durch Verkürzung der Periode die Anzahl der Metallstäbe. Dadurch erhöht sich die Absorption des Feldes durch die Metallstäbe. Daher wird \(Q\) verringert. Daher haben wir \(a_{m}\) = \(a\) gewählt.

Das normalisierte Transmissionsspektrum als Funktion der Periode metallischer Stäbe für (a) \(a_{m}\) = 2\(a\), (b) \(a_{m}\) = 1,5\(a\ ) und (c) \(a_{m}\) = 0,5\(a\).

Abbildung 13a zeigt die Auswirkung der Variationen des Radius der Metallstäbe (\(r_{m}\)) auf das normalisierte Transmissionsspektrum des vorgeschlagenen hybriden P-PhC-Sensors, für den \(l\) = 4,785 \(\mu \) M. Der Radius der Metallstäbe wird in Schritten von 0,02\(a\) von 0,16 auf 0,26\(a\) erhöht. Die anderen geometrischen Parameter bleiben unverändert. Wie in Abb. 13b zu sehen ist, erhöht sich die Empfindlichkeit, wenn \(r_{m}\) erhöht wird, FoM wird ebenfalls verringert und hat nur dann den Maximalwert, wenn \(r_{m} = r\). Dies liegt daran, dass durch die Verringerung des Radius die Feldleckage im Kopplungsbereich zunimmt. Andererseits wird durch die Vergrößerung des Radius der Metallstäbe die Feldabsorption durch die Metallstäbe erhöht. Daher haben wir \(r_{m} = r\) gewählt.

(a) Das normalisierte Transmissionsspektrum als Funktion des Radius der Metallstäbe (\(r_{m}\)), (b) Die Auswirkung des Radius der Metallstäbe auf die Empfindlichkeit und FoM.

Aufgrund von Abweichungen, die in den tatsächlichen Herstellungsprozessen auftreten, analysieren wir die Stabilität des Sensors, indem wir die Auswirkung einer Änderung des Radius aller Stäbe auf die Sensorleistung untersuchen. Wie in Abb. 14 dargestellt, gehen wir von Radiusabweichungen für alle Stäbe von − 5 bis 5 % in Schritten von 2,5 % aus. Untersucht wird der Einfluss der Radiusvariation auf die Empfindlichkeit und den Gütefaktor der Resonanzmoden im normierten Transmissionsspektrum.

Die Schwankungen des Qualitätsfaktors und der Empfindlichkeit, wenn bei photonischen Kristallen und Metallstäben eine Radiusabweichung auftritt.

In Tabelle 2 wird die Sensorleistung des vorgeschlagenen Hybrid-P-PhC-RI-Sensors mit anderen RI-Sensoren verglichen, über die kürzlich in der Literatur berichtet wurde (z. B. Sensoren auf Plasmonenbasis und Sensoren auf PhC-Basis). Laut dieser Tabelle weist der vorgeschlagene Hybridsensor im Vergleich zu anderen in dieser Tabelle aufgeführten RI-Sensoren eine höhere Empfindlichkeit und höhere FoM-Werte auf. Es ist bekannt, dass die größte Herausforderung vieler Sensoren darin besteht, dass sowohl die Empfindlichkeit als auch die FoM-Werte nicht gleichzeitig verbessert werden. Wir glauben, dass der vorgeschlagene Hybrid-P-PhC-RI-Sensor neue Fenster für die Entwicklung von RI-Sensoren mit besseren Sensoreigenschaften eröffnen kann.

In dieser Arbeit wurde ein optischer Brechungsindexsensor (RI) vorgeschlagen, der auf einem hybriden plasmonisch-photonischen Kristalldesign (P-PhC) basiert. Im vorgeschlagenen Design wurden einige Metallstäbe in den Kopplungsbereichen zwischen Wellenleitern und dem Hohlraum in einer PhC-Struktur vom Si-Stabtyp platziert. Der Analytbereich wurde innerhalb der Kavität betrachtet. Diese Struktur verstärkte die Licht-Analyt-Wechselwirkung durch das Hinzufügen von Metallstäben in den Kopplungsbereichen. Numerische Simulationen wurden basierend auf der FDTD-Methode durchgeführt. Der vorgeschlagene Hybridsensor kann gleichzeitig die Empfindlichkeit und die FoM-Werte (Figure of Merit) verbessern. Den Ergebnissen zufolge wurde für den hybriden P-PhC-Modus eine Empfindlichkeit von 1672 nm/RIU und ein großer FoM von 2388 RIU−1 erhalten, die jeweils größer waren als die der reinen PhC-Sensorstrukturen ohne Metallstäbe. Daher kann der vorgeschlagene Hybrid-P-PhC-RI-Sensor ein faszinierenderer Kandidat für hochempfindliche und hochauflösende Sensoranwendungen bei optischen Kommunikationswellenlängen sein.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Photonik-Forschungslabor, Fakultät für Elektrotechnik, Technische Universität Amirkabir, Teheran, Iran

Leila Hajshahvaladi, Hassan Kaatuzian und Maryam Moghaddasi

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Semnan-Universität, Semnan, Iran

Mohammad Danae

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Design, Analyse und Untersuchung: LH, Schreiben – Vorbereitung des Originalentwurfs: LH, MM, Schreiben – Überprüfung und Bearbeitung: MD, Betreuung: MD, HK

Korrespondenz mit Mohammad Danaie.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Hajshahvaladi, L., Kaatuzian, H., Moghaddasi, M. et al. Hybridisierung von Oberflächenplasmonen und photonischen Kristallresonatoren für hochempfindliche und hochauflösende Sensoranwendungen. Sci Rep 12, 21292 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25980-y

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Eingegangen: 16. August 2022

Angenommen: 07. Dezember 2022

Veröffentlicht: 09. Dezember 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25980-y

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