Ibridazione di plasmoni di superficie e risonatori a cristalli fotonici per alta

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21292 (2022) Citare questo articolo

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In questo articolo viene progettato un sensore di indice di rifrazione ottico (RI) basato su un cristallo ibrido plasmonico-fotonico (P-PhC). Nella struttura del sensore, alcune aste metalliche sono inglobate in una struttura a cristallo fotonico (PhC) a forma di asta. Le simulazioni numeriche vengono eseguite in base al metodo del dominio del tempo alle differenze finite (FDTD). I risultati ottenuti illustrano che i plasmoni di superficie localizzati (LSP) indotti da barre metalliche possono essere eccitati in un reticolo PhC per generare una modalità ibrida P-PhC. Secondo i risultati, la modalità ibrida offre opportunità uniche. L'utilizzo di aste metalliche nelle regioni di accoppiamento tra le guide d'onda e la cavità risonante aumenta significativamente l'interazione del campo ottico e dell'analita all'interno della cavità. I risultati della simulazione rivelano che per il sensore ibrido P-PhC proposto si ottengono un'elevata sensibilità di 1672 nm/RIU e un'eccellente figura di merito (FoM) di 2388 RIU−1. Questi valori sono più alti rispetto ai sensori puramente plasmonici e/o puramente PhC riportati in letteratura. Il sensore proposto potrebbe migliorare contemporaneamente la sensibilità e i valori FoM. Pertanto, il sensore RI ibrido P-PhC proposto è un candidato più affascinante per applicazioni di rilevamento ad alta sensibilità e ad alta risoluzione a lunghezze d'onda di comunicazione ottica.

Negli ultimi anni, i sensori dell'indice di rifrazione ottica (RI) sono stati ampiamente studiati a causa delle crescenti richieste di applicazioni di rilevamento e rilevamento1,2,3. I parametri principali per valutare le prestazioni di rilevamento dei sensori basati su RI sono la sensibilità e la figura di merito (FoM)4,5,6. I sensori ottici basati su RI sono sensibili alle piccole versioni RI dell'analita. Nei sensori plasmonici ha origine dall'interazione del campo evanescente con l'analita7. Un sensore perfetto basato su RI non solo dovrebbe essere altamente sensibile alle piccole versioni RI, ma deve anche avere un FoM ampio. A questo proposito, il cristallo plasmonico8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 e il cristallo fotonico (PhC)20,21,22,23,24,25,26,27,28 le strutture hanno presentato le capacità di rilevamento più promettenti. Tuttavia, ci sono alcune sfide per ottenere le migliori prestazioni di rilevamento. I sensori RI a base plasmonica accentuano l'interazione luce-materia eccitando i polaritoni plasmonici di superficie (SPP) e i plasmoni di superficie localizzati (LSP) sull'interfaccia metallo-dielettrico29,30,31. Queste strutture manipolano la luce entro scale sub-lunghezza d'onda32,33. Tuttavia, la presenza di metalli nei sensori RI a base plasmonica comporta grandi perdite ohmiche e costi di fabbricazione più elevati34,35,36,37. Pertanto, i sensori plasmonici tendono solitamente ad avere una sensibilità migliore. Tuttavia, hanno un FoM ridotto a causa delle perdite più elevate. Al contrario, i sensori RI basati su PhC tendono ad avere perdite inferiori e sono in grado di fornire un FoM più elevato38,39,40,41,42. Tuttavia, i sensori PhC mostrano comunemente una piccola sovrapposizione di campo con l'analita, con conseguente sensibilità inferiore rispetto ai sensori plasmonici. Nelle strutture dei sensori PhC, la stabilità viene studiata a causa delle deviazioni che si verificano negli effettivi processi di fabbricazione43.

A causa delle proprietà menzionate, una delle tecniche più interessanti e progressive per acquisire una maggiore sensibilità e un FoM più ampio è quella di combinare un componente plasmonico con una struttura PhC per creare un sensore ibrido avanzato di cristallo plasmonico-fotonico (P-PhC)44,45,46, 47,48,49. In una struttura di sensore ibrida di questo tipo, la natura dell'onda superficiale sull'interfaccia metallica migliora la sensibilità e la natura senza perdite del reticolo cristallino fotonico migliora il FoM50,51,52. Pertanto, la combinazione di entrambe le funzionalità può fornire prestazioni di rilevamento eccezionali5,53. Negli ultimi anni è stata esplorata e sperimentata la combinazione di una componente plasmonica come film metallici o nanostrutture metalliche con una struttura PhC54,55,56. Il sensore ibrido P-PhC supera i singoli sensori plasmonici e PhC. Inoltre, le proprietà del campo elettromagnetico nelle strutture plasmoniche e PhC sono per molti aspetti di natura complementare. Finisce per migliorare le prestazioni complessive grazie a tale ibridazione. Il sensore ibrido può espandere le capacità sia dei sensori plasmonici che di quelli basati su PhC attraverso l'uso simultaneo della forte interazione luce-materia del componente plasmonico e delle basse perdite del PhC57,58,59. Inoltre, nei sensori ibridi PhC-P viene utilizzato molto meno materiale metallico rispetto ai sensori puramente plasmonici, il che si traduce in una riduzione delle perdite di propagazione e dei costi di fabbricazione5,60.