表面プラズモンとフォトニック結晶共振器のハイブリッド化

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21292 (2022) この記事を引用

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1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

この論文では、ハイブリッドプラズモニックフォトニック結晶 (P-PhC) に基づく光屈折率 (RI) センサーを設計します。センサーの構造では、いくつかの金属ロッドがロッド型フォトニック結晶 (PhC) 構造に埋め込まれています。数値シミュレーションは、有限差分時間領域 (FDTD) 法に基づいて実行されます。得られた結果は、金属ロッドによって誘起された局在表面プラズモン (LSP) が PhC 格子内で励起されてハイブリッド P-PhC モードを生成できることを示しています。結果によると、ハイブリッドモードはユニークな機会を提供します。導波路と共振空洞の間の結合領域に金属ロッドを使用すると、空洞内の光場と分析物の相互作用が大幅に増加します。シミュレーション結果は、提案されたハイブリッド P-PhC センサーで 1672 nm/RIU の高感度と 2388 RIU-1 の優れた性能指数 (FoM) が得られることを示しています。これらの値は、文献で報告されている純粋なプラズモンセンサーや純粋な PhC センサーと比較して最も高くなります。提案されたセンサーは、感度と FoM 値を同時に向上させることができます。したがって、提案されたハイブリッド P-PhC RI センサーは、光通信波長での高感度および高解像度のセンシングアプリケーションにとって、より魅力的な候補です。

近年、センシングおよび検出アプリケーションの需要の高まりにより、光屈折率 (RI) センサーが広範囲に研究されています 1、2、3。 RI ベースのセンサーのセンシング性能を評価するための主なパラメーターは、感度と性能指数 (FoM)4、5、6 です。光学 RI ベースのセンサーは、分析物の小さな RI バージョンに敏感です。プラズモニックセンサーでは、それは分析物とエバネッセント場との相互作用から生じます7。完璧な RI ベースのセンサーは、小さな RI バージョンに対して高感度であるだけでなく、大きな FoM を持つ必要もあります。これに関して、プラズモニック 8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 およびフォトニック結晶 (PhC)20,21,22,23,24,25,26,27,28構造は最も有望な感知能力を示しています。それにもかかわらず、最高のセンシング性能を達成するにはいくつかの課題があります。プラズモンベースの RI センサーは、金属 - 誘電体界面上の表面プラズモンポラリトン (SPP) と局在表面プラズモン (LSP) を励起することにより、光と物質の相互作用を強調します 29,30,31。これらの構造は、サブ波長スケール内で光を操作します32、33。ただし、プラズモニックベースの RI センサーに金属が存在すると、大きな抵抗損失が発生し、製造コストが高くなります 34、35、36、37。したがって、プラズモニックセンサーは通常、感度が向上する傾向があります。ただし、損失が大きいため、FoM は減少しています。対照的に、PhC ベースの RI センサーは損失が低い傾向があり、より高い FoM38、39、40、41、42 を提供できます。ただし、PhC センサーは通常、分析対象物との小さなフィールドの重なりを示し、その結果、プラズモニックセンサーと比較して感度が低くなります。 PhC センサー構造では、実際の製造プロセスで発生する偏差による安定性が調査されます43。

前述の特性により、感度の向上と大きな FoM を獲得するための魅力的かつ進歩的な技術の 1 つは、プラズモニックコンポーネントと PhC 構造を組み合わせて、高度なハイブリッドプラズモニック - フォトニック結晶 (P-PhC) センサーを作成することです。 47、48、49。このようなハイブリッドセンサー構造では、金属界面での表面波の性質により感度が向上し、フォトニック結晶格子の無損失の性質により FoM50、51、52 が向上します。したがって、両方の機能を組み合わせることで、優れたセンシング性能を提供できます5,53。近年、金属膜や金属ナノ構造などのプラズモニックコンポーネントと PhC 構造との組み合わせが研究され、実験されています 54、55、56。ハイブリッド P-PhC センサーは、個々のプラズモニックセンサーや PhC センサーよりも優れた性能を発揮します。同様に、プラズモニック構造と PhC 構造における電磁場の特性は、多くの点で本質的に相補的です。このようなハイブリッド化により全体のパフォーマンスが向上します。ハイブリッドセンサーは、プラズモニックコンポーネントの強力な光物質相互作用と PhC57、58、59 の低損失を同時に使用することにより、プラズモニックセンサーと PhC ベースのセンサーの両方の能力を拡張できます。さらに、ハイブリッド PhC-P センサーでは、純粋なプラズモニックセンサーと比較して使用される金属材料がはるかに少なく、その結果、伝播損失と製造コストが削減されます 5,60。