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Hibridación de plasmones de superficie y resonadores de cristales fotónicos para alta

Sep 30, 2023

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 21292 (2022) Citar este artículo

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En este artículo, se diseña un sensor de índice de refracción óptico (RI) basado en un cristal híbrido plasmónico-fotónico (P-PhC). En la estructura del sensor, algunas varillas metálicas están incrustadas en una estructura de cristal fotónico (PhC) tipo varilla. Las simulaciones numéricas se realizan basándose en el método de dominio del tiempo de diferencias finitas (FDTD). Los resultados obtenidos ilustran que los plasmones de superficie localizados (LSP) inducidos por varillas metálicas pueden excitarse en una red de PhC para generar un modo híbrido P-PhC. Según los resultados, el modo híbrido ofrece oportunidades únicas. El uso de varillas metálicas en las regiones de acoplamiento entre las guías de ondas y la cavidad resonante aumenta significativamente la interacción del campo óptico y el analito dentro de la cavidad. Los resultados de la simulación revelan que se obtiene una alta sensibilidad de 1672 nm/RIU y una excelente figura de mérito (FoM) de 2388 RIU-1 para el sensor híbrido P-PhC propuesto. Estos valores son los más altos en comparación con los sensores puramente plasmónicos o puramente PhC informados en la literatura. El sensor propuesto podría mejorar simultáneamente la sensibilidad y los valores de FoM. Por lo tanto, el sensor híbrido P-PhC RI propuesto es un candidato más fascinante para aplicaciones de detección de alta sensibilidad y alta resolución en longitudes de onda de comunicación óptica.

En los últimos años, los sensores de índice de refracción óptico (RI) se han estudiado ampliamente debido a las crecientes demandas de aplicaciones de detección y detección1,2,3. Los principales parámetros para evaluar el rendimiento de detección de los sensores basados ​​en RI son la sensibilidad y la figura de mérito (FoM)4,5,6. Los sensores ópticos basados ​​en RI son sensibles a versiones pequeñas de RI del analito. En los sensores plasmónicos se origina a partir de la interacción del campo evanescente con el analito7. Un sensor perfecto basado en RI no sólo debe ser muy sensible a versiones pequeñas de RI, sino que también debe tener un FoM grande. En este sentido, el plasmónico8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 y el cristal fotónico (PhC)20,21,22,23,24,25,26,27,28 Las estructuras han presentado las capacidades de detección más prometedoras. Sin embargo, existen algunos desafíos para lograr el mejor rendimiento de detección. Los sensores RI basados ​​en plasmones acentúan la interacción luz-materia excitando los polaritones del plasmón superficial (SPP) y los plasmones superficiales localizados (LSP) en la interfaz metal-dieléctrico29,30,31. Estas estructuras manipulan la luz dentro de escalas inferiores a las longitudes de onda32,33. Sin embargo, la presencia de metales en sensores RI basados ​​en plasmónicos da como resultado grandes pérdidas óhmicas y mayores costos de fabricación34,35,36,37. Por tanto, los sensores plasmónicos suelen tener mejor sensibilidad. Sin embargo, tienen un FoM reducido debido a sus mayores pérdidas. Por el contrario, los sensores RI basados ​​en PhC tienden a tener menores pérdidas y son capaces de proporcionar una mayor FoM38,39,40,41,42. Sin embargo, los sensores de PhC comúnmente exhiben una pequeña superposición de campo con el analito, lo que resulta en una menor sensibilidad en comparación con los sensores plasmónicos. En las estructuras de sensores PhC, se investiga la estabilidad debido a las desviaciones que ocurren en los procesos de fabricación reales43.

Debido a las propiedades mencionadas, una de las técnicas atractivas y progresivas para adquirir una mayor sensibilidad y una FoM más grande es combinar un componente plasmónico con una estructura PhC para crear un sensor híbrido avanzado de cristal plasmónico-fotónico (P-PhC)44,45,46. 47,48,49. En una estructura de sensor híbrido de este tipo, la naturaleza de la onda superficial en la interfaz metálica mejora la sensibilidad y la naturaleza sin pérdidas de la red cristalina fotónica mejora la FoM50,51,52. Por lo tanto, la combinación de ambas características puede proporcionar un rendimiento de detección excepcional5,53. En los últimos años se ha explorado y experimentado la combinación de un componente plasmónico como películas metálicas o nanoestructuras metálicas con una estructura PhC54,55,56. El sensor híbrido P-PhC supera a los sensores plasmónicos y PhC individuales. Además, las propiedades del campo electromagnético en estructuras plasmónicas y PhC son de naturaleza complementaria en muchos aspectos. Termina mejorando el rendimiento general mediante dicha hibridación. El sensor híbrido puede ampliar las capacidades de los sensores plasmónicos y basados ​​en PhC mediante el uso simultáneo de la fuerte interacción luz-materia del componente plasmónico y las bajas pérdidas del PhC57,58,59. Además, se utiliza mucho menos material metálico en los sensores híbridos PhC-P en comparación con los sensores puramente plasmónicos, lo que resulta en una reducción de las pérdidas de propagación y los costos de fabricación5,60.

En este artículo, se diseña un sensor híbrido P-PhC RI en el que algunas varillas metálicas están incrustadas en una estructura de Si PhC tipo varilla. El uso de varillas metálicas en las regiones de acoplamiento entre las guías de ondas de entrada y salida y la cavidad resonante aumenta significativamente el volumen de interacción del campo óptico y el analito dentro de la cavidad. Aumentar la interacción luz-analito en la cavidad mejora considerablemente la sensibilidad y la FoM del sensor. En este caso, los sensores RI diseñados no requieren etiquetado. Para evaluar más a fondo el rendimiento de detección general de la estructura del sensor propuesta, comparamos tres estructuras de sensores RI, incluido el sensor PhC sin varillas metálicas, el sensor híbrido P-PhC con dos y cuatro varillas metálicas en regiones de acoplamiento. Luego, se investigan los parámetros de las varillas metálicas, como la longitud de la región del analito, el período y el radio de las varillas metálicas. Las simulaciones numéricas se realizan basándose en el método de dominio del tiempo de diferencias finitas (FDTD). Para el sensor híbrido P-PhC propuesto se logra una sensibilidad de 1672 nm/RIU y una FoM bastante alta de 2730 RIU-1. Según el conocimiento de los autores, estos valores son los más altos en comparación con los sensores puramente plasmónicos o puramente PhC reportados en la literatura. Este artículo está organizado de la siguiente manera: en la sección "Análisis de detección de sensores RI", se presenta la base teórica de los sensores RI. En la sección "Teoría y análisis de la excitación de plasmones superficiales en estructuras PhC", se investiga el análisis teórico de la excitación de SPP y LSP en una estructura PhC. En la sección “Configuración del sensor híbrido P-PhC propuesto”, se describen la configuración y los métodos de análisis del sensor híbrido propuesto. En la sección “Resultados y discusiones”, se presentan los resultados de la simulación. Finalmente, la sección “Conclusiones” es para conclusiones.

El índice de refracción óptica (RI) de un medio es un parámetro óptico importante para explicar las interacciones luz-materia61. Utilizaremos dos parámetros sustanciales para caracterizar el rendimiento de detección de los sensores ópticos RI50:

Sensibilidad (S)

Figura de mérito (FoM)

Todos los sensores deben evaluarse según su sensibilidad y sus valores de FoM. Se prefiere que los valores de ambos parámetros sean mucho mayores. Como se ilustra en la Fig. 1, en un sensor óptico de RI, la variación del RI del analito (\({\Delta }n\)) proporciona un cambio en la longitud de onda de resonancia (\({\Delta }\lambda\)) y/o frecuencia (\({\Delta }\omega\)) en la respuesta de transmisión óptica asociada con el sensor.

El rendimiento de detección de un sensor óptico RI.

Usando la teoría de la perturbación, el cambio de frecuencia de resonancia (\(\Delta \omega\)) se puede determinar como20,62:

donde \(E_{0}\) y \(H_{0}\) son los campos eléctrico y magnético originales, respectivamente. \(\mu\) y \(\varepsilon\) son la permeabilidad y la permitividad, respectivamente. \(W\) representa la energía total almacenada en la cavidad resonante, y \(W_{e}\) y \(W_{m}\) son las densidades de energía eléctrica y magnética, respectivamente. Cuando \(\mu\) no cambia, la Ec. (1) se puede simplificar de la siguiente manera20,53:

donde \(\varepsilon_{0}\) es la permitividad del espacio libre, \(\varepsilon_{r}\) es la permitividad relativa (\(\varepsilon_{r} = n^{2} /\mu_{r }\)) y \(\mu_{r}\) es la permeabilidad relativa. De la ecuación. (2), el cambio de frecuencia de resonancia óptica (\({\Delta }\omega\)) puede aproximarse mediante \({\Delta }\omega /\omega_{0} = - \sigma \left( {\delta n /n} \right)\), donde \(\sigma\) depende de la parte de la energía del modo de resonancia almacenada en la región del analito, y \(\delta n\) es la variación de RI. Por lo tanto, la sensibilidad espectral (\({\text{S}}\)) del sensor óptico RI, que proporciona el cambio de longitud de onda de resonancia (\({\Delta }\lambda\)) para un \(\delta n dado \) en la longitud de onda de resonancia (\(\lambda_{0}\)) se puede expresar de la siguiente manera53:

donde nm/RIU es la unidad de sensibilidad (\({\text{S}}\)). En este sentido, FoM es otro parámetro de detección para investigar la resolución del sensor óptico RI. FoM se calcula normalizando la sensibilidad (\({\text{S}}\)) al ancho de banda del ancho total a la mitad del máximo (FWHM) en el modo de resonancia. El FoM se calcula de la siguiente manera53:

Al aumentar la sensibilidad y disminuir el ancho de banda FWHM, aumenta el FoM. FoM también es proporcional al factor de calidad (\(Q\)), donde \(Q = \lambda_{0} /{\text{FWHM}}\). Por lo tanto, FoM se puede expresar como \({\text{FoM}} = {\text{S}}.Q/\lambda_{0}\). Como resultado, para tener un sensor óptico RI deseable, se requieren alta sensibilidad y alta FoM.

Para que los fotones puedan excitar plasmones de superficie, deben tener las mismas frecuencias y momentos. La relación de dispersión para un SPP que se propaga en la interfaz metal-dieléctrico se puede derivar como:

donde \(\omega\) es la frecuencia de la luz incidente y \(c\) es la velocidad de la luz en el vacío. \(\varepsilon_{m}\) y \(\varepsilon_{d}\) son la permitividad del metal y el dieléctrico (aquí es analito) dependiente de la frecuencia, respectivamente. El vector de onda (k) y la curva de dispersión nos proporcionan una mejor comprensión de las propiedades de los modos de propagación y las necesidades de acoplamiento para el emparejamiento del vector de onda.

Los LSP son oscilaciones de plasma localizadas que pueden excitarse en las superficies de nanopartículas metálicas. La excitación de los LSP hace que los campos electromagnéticos cerca de la superficie de la partícula aumenten enormemente. A diferencia de los plasmones de superficie que se propagan, los LSP no requieren una disposición de iluminación especial para la coincidencia de fases y pueden excitarse fácilmente mediante irradiación directa de luz63,64.

Sabiendo que el impulso de un fotón que se propaga en el espacio libre (\(k_{0} = \omega /c\)) es menor que el impulso de los plasmones de superficie, no tienen el mismo impulso en ninguna frecuencia determinada. Por tanto, los plasmones superficiales en la interfaz metal-dieléctrico no pueden excitarse directamente mediante haces ópticos65. Por lo tanto, para excitar plasmones de superficie que se propagan en dispositivos plasmónicos, es necesario utilizar técnicas de acoplamiento como prismas, rejillas, fibras y guías de ondas50. En este sentido, los plasmones de superficie inducidos por un elemento plasmónico pueden excitarse mediante un modo de guía de ondas PhC. La relación de dispersión lineal de una guía de ondas PhC se puede aproximar de la siguiente manera66:

donde \(a\) es la constante de red, \(D\) es el tamaño de la banda prohibida fotónica (PBG) y \(n_{eff}\) es el índice de refracción efectivo. Dado que el índice de refracción efectivo de una estructura de PhC es mayor que el índice de refracción del aire (n = 1), el vector de onda (\(k\)) de una estructura de PhC es mayor que el del aire (espacio libre). Por lo tanto, para la estructura híbrida P-PhC propuesta, el impulso de los plasmones superficiales que se propagan en la interfaz metal-dieléctrico se puede igualar con el impulso de los modos PhC en la región PBG. Por lo tanto, los LSP acoplados en la estructura PhC pueden excitarse mediante modos PhC sin el requisito de otras técnicas de adaptación de impulso. La excitación de los plasmones superficiales en el PhC depende de la posición y los parámetros geométricos de los elementos metálicos.

La vista esquemática bidimensional (2D) de la estructura del sensor híbrido P-PhC RI propuesta se ilustra en la Fig. 2. La estructura consta de una estructura de PhC tipo varilla y algunas varillas metálicas, que están ubicadas en las regiones de acoplamiento entre guías de ondas. y la cavidad resonante de PhC. En esta estructura se utiliza una red cuadrada 2D de varillas de silicio (Si) rodeadas por un fondo de aire. Sus RI son n = 3,45 y n = 1, respectivamente. Se supone que la constante de red es \(a\) = 645 nm. El radio de las varillas de Si es \(r\) = 0,22 \(a\). Como se ilustra en la Fig. 2, la estructura PhC tiene una cavidad resonante, una guía de ondas de entrada en el lado inferior de la cavidad y una guía de ondas de salida en el lado superior de la cavidad. En las esquinas de la cavidad resonante, se utilizan cuatro varillas dispersadoras de Si con un radio reducido de rs = 0,18a para evitar la dispersión y retrodispersión de la luz en las guías de ondas.

Vista esquemática 2D de la estructura del sensor híbrido P-PhC RI propuesta.

Como se ve en la Fig. 2, para la estructura propuesta, la cavidad resonante está sujeta al analito rodeado por una fina capa de SiO2 (n = 1,42). Cuando el campo electromagnético se superpone con el área del analito, el analito RI varía, lo que resulta en un cambio en la longitud de onda de resonancia. Para mejorar la superposición del campo con el analito, se emplean algunas varillas metálicas en los lados superior e inferior de la cavidad resonante en las regiones de acoplamiento entre las guías de ondas de entrada y salida y la cavidad. Se supone que la constante de red de las varillas metálicas es am = a. Se supone que los radios de las varillas metálicas son equivalentes a los radios de las varillas de Si PhC (\(r_{m}\) = \(r\) = 0,22\(a\)). El material elegido para las varillas metálicas es la plata (Ag), debido a su absorción mucho menor respecto a otros metales. Aquí, la función de permitividad de Ag se modela basándose en los resultados experimentales de Johnson y Christy67. Para evitar la oxidación del Ag metálico, se coloca una capa dieléctrica de SiO2 entre la solución del analito y las varillas metálicas de Ag. De este modo, todas las partes de la estructura del sensor no quedarán expuestas al analito. Todos los parámetros estructurales de la estructura del sensor propuesta se resumen en la Tabla 1.

En la estructura del sensor propuesta, se lanza una fuente de luz gaussiana a la guía de ondas de entrada de PhC, que soporta la polarización magnética transversal (TM). Los plasmones de superficie inducidos por las varillas metálicas en el lado inferior de la cavidad resonante se excitan mediante el acoplamiento de la luz entrante desde la guía de ondas de entrada a la cavidad. Luego, los plasmones superficiales inducidos por las varillas metálicas en la parte superior de la cavidad resonante se excitan acoplando la luz desde la cavidad hacia la guía de ondas de salida. En esta estructura híbrida, la excitación adecuada de los plasmones superficiales inducidos por metales es muy importante. Los LSP excitados se acoplan cooperativamente a los modos de guía de PhC para generar un modo PhC-P híbrido.

Para obtener una mejor visión, la Fig. 3 ilustra la distribución del campo magnético (|H|) para el sensor híbrido propuesto en la longitud de onda de resonancia de 1860 nm. En esta figura, las varillas metálicas están marcadas esquemáticamente mediante círculos amarillos. Pero estos círculos amarillos se eliminan en la figura ampliada para ver la penetración parcial del campo en las varillas metálicas. Se puede ver que los LSP inducidos por varillas metálicas en las regiones de acoplamiento están adecuadamente excitados en la estructura de PhC. Como se ve en la sección ampliada de la Fig. 3, el campo óptico está fuertemente confinado en la interfaz metal-dieléctrico de las varillas metálicas y se extiende hacia el área del analito en la cavidad. Mientras que para las barras de Si, la mayor parte del campo óptico ha penetrado en el interior de las barras. Por lo tanto, al combinar los LSP de las varillas metálicas con modos de guía PhC, se genera un modo híbrido PhC-P para aumentar la sensibilidad y resolución del sensor propuesto.

La distribución del campo magnético (|H|) para el sensor híbrido P-PhC propuesto en la longitud de onda de resonancia de 1860 nm.

Para describir el mecanismo detrás de guiar la luz desde la guía de ondas de entrada a la guía de ondas de salida, se puede utilizar la teoría del modo acoplado. La estructura que se muestra en la Fig. 4a es un modelo esquemático bien conocido basado en la teoría del modo acoplado para describir filtros ópticos basados ​​en guías de ondas acopladas por los extremos a un resonador. En esta estructura, una cavidad resonante está conectada a dos guías de ondas monomodo que forman los puertos de entrada y salida. La luz se acopla desde la guía de ondas de entrada a la cavidad resonante y luego se acopla a la guía de ondas de salida. En la cavidad resonante, hay un modo resonante con la frecuencia de \(\omega_{0}\) que decae con tiempos de vida de \(\tau_{i}\) y \(\tau_{o}\) en los dos guías de ondas. Posteriormente, en la Fig. 4b se muestra un esquema del sistema de acoplamiento de luz para la estructura del sensor propuesta. La estructura de la Fig. 4b es un caso especial de la estructura de la Fig. 4a. En la estructura del sensor propuesta, los perfiles del campo eléctrico en la cavidad resonante y las guías de ondas se obtienen por separado y se colocan juntos esquemáticamente en la Fig. 4b para proporcionar una mejor perspectiva. En realidad, la intensidad del campo es mucho mayor en la cavidad resonante. Cabe mencionar que la resonancia en nuestro caso es de naturaleza de onda estacionaria y, a diferencia de los resonadores de anillo, la luz no gira dentro de la cavidad. Dado que el perfil de resonancia de la cavidad es similar al perfil del modo de guía de ondas, puede actuar como alimentación y excitar los modos guiados en las guías de onda. Aunque las regiones de acoplamiento parecen similares a los acopladores direccionales, el mecanismo de acoplamiento no es el mismo ya que la luz no gira dentro de la cavidad. De manera similar a la estructura de la Fig. 4a, las vidas útiles de \(\tau_{i}\) y \(\tau_{o}\) también son aplicables para las regiones de acoplamiento en la Fig. 4b.

(a) Esquema de un sistema acoplado de guía de ondas-cavidad-guía de ondas para la teoría del modo acoplado. ( b ) Esquema del mecanismo de acoplamiento de luz para la estructura del sensor híbrido P-PhC RI propuesta.

En la Fig. 4a, \(S_{in + }\) y \(S_{in - }\) son las amplitudes de campo de entrada/salida del modo en la guía de ondas de entrada, y \(S_{out + }\) y \(S_{out - }\) son las amplitudes del campo de entrada/salida del modo en la guía de ondas de salida. La amplitud de campo de un único modo resonante en la cavidad es \(A\). Considerando \(S_{out + } = 0\), el espectro de transmisión de un sistema de guía de ondas-cavidad-guía de ondas acoplado se puede definir teóricamente utilizando la teoría del modo acoplado de la siguiente manera68:

El espectro de transmisión se puede obtener de la siguiente manera68:

Suponiendo la condición de simetría \(\tau_{i} = \tau_{o}\), la vida útil total está dada por \(1/\tau = 1/\tau_{i} + 1/\tau_{o} = 2/ \tau_{i}\). Según \(Q = \omega_{0} \tau /2\) y \(1/\tau_{i} = 1/\tau_{o} = \omega_{0} /4Q\), el espectro de transmisión en Los términos del factor de calidad \(Q\) se pueden expresar de la siguiente manera68:

La Figura 5 ilustra una vista esquemática de la configuración experimental utilizada para el sensor híbrido P-PhC RI propuesto. Esta configuración incluye una fuente de luz óptica, un controlador de polarización, un analizador de espectro óptico (OSA), una computadora y el sensor híbrido P-PhC RI propuesto. Como se ve, para la estructura del sensor híbrido propuesta, se integra un canal de microfluidos en el centro de la región del analito de detección para mejorar la estabilidad y precisión del sensor. La solución del analito ingresa a la celda de microfluidos del analito a través de la entrada de la solución y sale por la salida de la solución.

El esquema de la configuración experimental utilizada para el sensor híbrido P-PhC RI propuesto.

Los abajo firmantes declaramos que el manuscrito titulado “Hybridization of Surface Plasmon Polaritons and Photonic Crystal Resonators for High-Sensitivity and High-Resolution Sensing Applications” es original, no ha sido publicado total o parcialmente antes y actualmente no se está considerando su publicación en ningún otro lugar. . Además, los resultados se presentan de forma clara, honesta y sin invenciones, falsificaciones ni manipulación inapropiada de datos. Confirmamos que el manuscrito ha sido leído y aprobado por todos los autores nombrados y que no hay otras personas que cumplan con los criterios de autoría pero que no figuran en la lista. Confirmamos además que el orden de los autores enumerados en el manuscrito ha sido aprobado por todos nosotros.

El método de dominio del tiempo de diferencias finitas (FDTD) se utiliza para evaluar el rendimiento de detección de la estructura del sensor híbrido propuesta y los efectos de las varillas metálicas en la estructura del sensor híbrido. Se utilizan condiciones de contorno de capas perfectamente adaptadas (PML) en las direcciones x e y para absorber las ondas emitidas fuera de la estructura. La estructura del sensor está entrelazada en todas direcciones con un tamaño de 5 nm. La estructura de banda de PhC utilizada en la estructura híbrida PhC-P propuesta se puede calcular utilizando el método de expansión de onda plana (PWE). La Figura 6 muestra el rango de PBG en la estructura de bandas de PhC utilizada en el sensor híbrido P-PhC RI propuesto. El PBG calculado tiene un rango de frecuencia normalizado de 0,28 a 0,38 (\(a/\lambda\)). Por tanto, el rango de longitud de onda es de 1666 nm a 2307 nm.

La estructura de bandas de PhC utilizada en el sensor híbrido P-PhC RI propuesto.

La Figura 7 ilustra el efecto del radio de las varillas de Si PhC (\(r\)) en el espectro de transmisión del sensor de PhC sin varillas metálicas. La base del analito será agua (n = 1,33). Como se ve, el espectro de transmisión del sensor PhC tiene modos de resonancia múltiple. Aquí hemos considerado una resonancia en la longitud de onda de 1855 nm. Al aumentar el tamaño de \(r\), la longitud de onda de resonancia se desplaza hacia longitudes de onda más altas. Hemos seleccionado \(r\) = 0,22 \(a\). Para evaluar más a fondo el rendimiento de detección del sensor propuesto, se analizó el efecto de la variación del analito RI en los espectros de transmisión de tres estructuras de sensores RI, incluido un sensor PhC sin varillas metálicas, un sensor híbrido P-PhC con dos varillas metálicas en regiones de acoplamiento y el El sensor híbrido P-PhC propuesto con cuatro varillas metálicas en las regiones de acoplamiento se ilustra en las figuras 8a a c. Se supone que el RI del analito cambia de 1,33 a 1,34.

El efecto del radio de las varillas de Si PhC (\(r\)) en el espectro de transmisión del sensor de PhC sin varillas metálicas.

El efecto de la variación del analito RI en los espectros de transmisión de tres estructuras de sensores RI que incluyen (a) sensor PhC sin varillas metálicas, (b) sensor híbrido P-PhC con dos varillas metálicas y (c) sensor híbrido P-PhC propuesto con cuatro varillas metálicas en las regiones de acoplamiento.

Como se muestra en la Fig. 8a, el espectro de transmisión de la estructura del sensor PhC sin varillas metálicas tiene algunos modos de resonancia. Aquí, para comparar tres estructuras, hemos considerado el modo de resonancia a una longitud de onda de 1855 nm con un ancho de banda FWHM de aproximadamente 20 nm. Como se ve, al cambiar el RI del analito de 1,33 a 1,34, la longitud de onda de resonancia se desplaza 6,55 nm. Proporciona un valor de sensibilidad de 655 nm/RIU y un valor de FoM de 33 RIU-1.

La Figura 8b ilustra el sensor híbrido P-PhC con dos varillas metálicas en regiones de acoplamiento. Tiene dos modos de resonancia. Hemos considerado el modo de resonancia en la longitud de onda de 1856 nm con un ancho de banda de aproximadamente 2,7 nm. Se puede ver que agregar varillas metálicas en lugar de varillas de Si en las regiones de acoplamiento reduce el ancho de banda de FWHM. Sin embargo, estas varillas metálicas tienen pérdidas óhmicas. En esta figura, para el RI del analito que cambia de 1,33 a 1,34, se observa un cambio de longitud de onda de 14,07 nm. Conduce a un alto valor de sensibilidad de 1407 nm/RIU y un buen valor de FoM de 521 RIU-1. Los valores de sensibilidad y FoM del sensor híbrido P-PhC con dos varillas metálicas son aproximadamente 2,14 y 15,7 veces mayores que los de la estructura del sensor puramente PhC, respectivamente. La Figura 8c ilustra el sensor híbrido P-PhC con cuatro varillas metálicas en regiones de acoplamiento. Hemos considerado el modo de resonancia en la longitud de onda de 1860 nm. Tiene un ancho de banda FWHM ultraestrecho de 0,75 nm. A partir de esta figura, al cambiar el RI del analito de 1,33 a 1,34, la longitud de onda de resonancia experimenta un cambio considerable de 16,38 nm. Se obtiene un valor de sensibilidad más alto de 1638 nm/RIU y un valor de FoM mayor de 2184 RIU-1. Estos valores obtenidos son aproximadamente 1,16 y 4,19 veces mayores que los del sensor híbrido P-PhC con dos varillas metálicas, respectivamente. Finalmente, estos valores son aproximadamente 2,5 y 66,18 veces mayores que los del sensor de PhC puro, respectivamente. Según los resultados obtenidos, la estructura híbrida propuesta puede actuar como un sensor RI de alto rendimiento para aplicaciones de biodetección.

La Figura 9 ilustra una relación lineal entre la longitud de onda de resonancia considerada y los índices de refracción de n = 1,33 a 1,4 para las tres estructuras de sensor (un sensor de PhC sin varillas metálicas, un sensor híbrido P-PhC con dos varillas metálicas y el sensor híbrido PhC propuesto). -Sensor de PhC con cuatro varillas metálicas). En esta figura, las pendientes calculadas de las curvas lineales estiman el valor de sensibilidad de los sensores RI. La sensibilidad del sensor híbrido P-PhC propuesto con cuatro varillas metálicas es un valor más alto en comparación con las otras dos estructuras de sensores. Para poder tener una mejor idea, las figuras 10a a c ilustran las distribuciones de campos magnéticos y eléctricos (|H| y |E|) en los modos de resonancia considerados para tres estructuras de sensores, respectivamente. Las Figuras 10a,b ilustran los perfiles de campo de |H| y |E| para el sensor de PhC puro a la longitud de onda de resonancia de 1855 nm, respectivamente. Se observa que la distribución máxima del campo se concentra principalmente dentro de la cavidad resonante.

Longitud de onda de resonancia de tres estructuras de sensores en función de los índices de refracción del analito.

Las distribuciones de campos magnéticos y eléctricos (|H| y |E|) para tres estructuras de sensores RI que incluyen (a) |H| para sensor de PhC sin varillas metálicas a 1855 nm, (b) |E| para sensor de PhC sin varillas metálicas a 1855 nm (c) |H| para sensor híbrido P-PhC con dos varillas metálicas a 1856 nm, (d) |E| para sensor híbrido P-PhC con dos varillas metálicas a 1856 nm, (e) |H| para el sensor híbrido P-PhC propuesto con cuatro varillas metálicas a 1860 nm, y (f) |E| para el sensor híbrido P-PhC propuesto con cuatro varillas metálicas a 1860 nm.

La Figura 10c,d ilustra los perfiles de campo de |H| y |E| para el sensor híbrido P-PhC con dos varillas metálicas en la longitud de onda de resonancia de 1856 nm, respectivamente. Como se ve, el campo está fuertemente confinado en la interfaz metal-dieléctrico. Confirma la excitación de LSP inducida por varillas metálicas. En comparación con los sensores puramente PhC, la intensidad de campo del sensor híbrido P-PhC con dos varillas metálicas es mayor. Esto representa un mayor volumen de interacción entre el área del analito y el campo óptico. Mejorar el volumen de interacción proporciona una mayor sensibilidad a las variaciones de RI. La Figura 10e,f ilustra los perfiles de campo de |H| y |E| para el sensor híbrido P-PhC con cuatro varillas metálicas en la longitud de onda de resonancia de 1860 nm, respectivamente. Como se ve, la intensidad del campo en la interfaz metal-dieléctrico y dentro de la cavidad es mucho más fuerte en comparación con el sensor puramente PhC y el sensor híbrido P-PhC con dos varillas metálicas.

La Figura 11a ilustra el efecto de las variaciones de la longitud de la cavidad (\(l\)) en el espectro de transmisión normalizado del sensor híbrido P-PhC propuesto. La longitud aumenta de 2,85 a 5,43 µm en un paso de 645 µm. Los demás parámetros geométricos se mantienen sin cambios. Como se muestra en esta figura, el modo de resonancia obtenido para \(l\) = 2,85 μm, \(l\) = 3,495 μm y \(l\) = 4,14 μm está marcado por "Modo A", y el modo de resonancia obtenido para \(l\) = 4,785 μm y \(l\) = 5,43 μm está marcado por "Modo B". La Figura 11b muestra que al incrementar la longitud, los modos A y B tienen un corrimiento al rojo hacia las longitudes de onda más altas y el factor de calidad disminuye. Cuando la longitud de la región del analito es \(l\) = 4,785 μm, su comportamiento de resonancia en la longitud de onda de 1861 nm es equivalente al caso en el que dos regiones del analito con una longitud de 2,85 μm están conectadas entre sí. El efecto del cambio de longitud se evalúa sobre el rendimiento de la detección en la Fig. 11c. Se espera que la sensibilidad del sensor aumente con la ampliación del área de detección. Sin embargo, aumentar el tamaño de la cavidad disminuirá el factor de calidad y aumentará la pérdida. Esto se debe al hecho de que el coeficiente de acoplamiento también aumentará, lo que reduce el factor de calidad. Según la Fig. 11c, al aumentar la longitud, se mejora la sensibilidad y se disminuye la FoM. La sensibilidad máxima de 1685 nm/RIU se obtiene para \(l\) = 5,43 \(\mu\) m, y la FoM máxima de 2388 RIU−1 se observa para \(l\) = 4,785 μm. Por lo tanto, seleccionamos \(l\) = 4.785 μm para la estructura del sensor híbrido P-PhC propuesta.

(a) El espectro de transmisión normalizado en función de la longitud de la región del analito (\(l\)), (b) El efecto de la longitud sobre la longitud de onda de resonancia y el factor de calidad, (c) El efecto de la longitud sobre la sensibilidad y FoM.

La Figura 12 ilustra el efecto de cambiar el período de las varillas metálicas en el espectro de transmisión normalizado del sensor híbrido P-PhC propuesto, para el cual \(l\) = 4,785 μm. La constante de red de las varillas metálicas está marcada por "\(a_ {m}\)". Las Figuras 12a-c muestran casos donde \(a_{m}\) = 2 \(a\), \(a_{m}\) = 1,5 \(a\) y \(a_{m}\) = 0,5 \ (a\), respectivamente. Los demás parámetros geométricos se mantienen sin cambios. Como se muestra en la Fig. 12a, al cambiar el RI del analito de 1,33 a 1,34, la longitud de onda de resonancia se desplaza 14,13 nm. Así, se obtiene una sensibilidad de 1413 nm/RIU para \(a_{m}\) = 2 \(a\). Posteriormente, las Fig. 12b,c muestran una sensibilidad de 1487 nm/RIU y 1648 nm/RIU para \(a_{m}\) = 1,5 \(a\) y \(a_{m}\) = 0,5 \(a \), respectivamente. Además, los factores de calidad calculados para \(a_{m}\) = 2 \(a\), \(a_{m}\) = 1,5 \(a\) y \(a_{m}\) = 0,5 \ (a\) son 622, 2657 y 928, respectivamente. A medida que aumenta la fuga de campo, disminuye la vida útil \(\tau\). Como resultado, al aumentar el período de las varillas metálicas se reduce \(Q\). Por otro lado, al disminuir el periodo se incrementa el número de varillas metálicas. Esto aumenta la absorción del campo por las varillas metálicas. Por lo tanto, \(Q\) disminuye. Por lo tanto, seleccionamos \(a_{m}\) = \(a\).

El espectro de transmisión normalizado en función del período de las barras metálicas para (a) \(a_{m}\) = 2\(a\), (b) \(a_{m}\) = 1.5\(a\ ) y (c) \(a_{m}\) = 0,5\(a\).

La Figura 13a ilustra el efecto de las variaciones del radio de las varillas metálicas (\(r_{m}\)) en el espectro de transmisión normalizado del sensor híbrido P-PhC propuesto, para el cual \(l\) = 4.785 \(\mu \) m. El radio de las varillas metálicas aumenta de 0,16 a 0,26\(a\) en un paso de 0,02\(a\). Los demás parámetros geométricos se mantienen sin cambios. Como se ve en la Fig. 13b, cuando se aumenta \(r_{m}\), se mejora la sensibilidad, FoM también disminuye y tiene el valor máximo solo cuando \(r_{m} = r\). Esto se debe al hecho de que al disminuir el radio, aumenta la fuga de campo en la región de acoplamiento. Por otra parte, al aumentar el radio de las varillas metálicas, aumenta la absorción de campo por parte de las varillas metálicas. Por lo tanto, seleccionamos \(r_{m} = r\).

(a) El espectro de transmisión normalizado en función del radio de las varillas metálicas (\(r_{m}\)), (b) El efecto del radio de las varillas metálicas sobre la sensibilidad y la FoM.

Debido a las desviaciones que ocurren en los procesos de fabricación reales, analizamos la estabilidad del sensor examinando el efecto del cambio del radio de todas las varillas en el rendimiento de la detección. Como se muestra en la Fig. 14, asumimos desviaciones de radio para todas las varillas de -5 a 5% en un paso de 2,5%. Se investiga la influencia de la variación del radio sobre la sensibilidad y el factor de calidad de los modos de resonancia en el espectro de transmisión normalizado.

Las variaciones del factor de calidad y la sensibilidad cuando el cristal fotónico y las varillas metálicas experimentan una desviación del radio.

En la Tabla 2, el rendimiento de detección del sensor híbrido P-PhC RI propuesto se compara con otros sensores RI reportados recientemente en la literatura (como sensores basados ​​en plasmónicos y sensores basados ​​en PhC). Según esta tabla, el sensor híbrido propuesto tiene mayor sensibilidad y valores de FoM más altos en comparación con otros sensores RI presentados en esta tabla. Es bien sabido que el principal desafío de muchos sensores es que tanto la sensibilidad como los valores de FoM no mejoran simultáneamente. Creemos que el sensor híbrido P-PhC RI propuesto puede abrir nuevas ventanas para diseñar sensores RI con mejores propiedades de detección.

En este artículo, se propuso un sensor de índice de refracción óptico (RI) basado en un diseño de cristal híbrido plasmónico-fotónico (P-PhC). En el diseño propuesto, se colocaron algunas varillas metálicas en las regiones de acoplamiento entre las guías de ondas y la cavidad en una estructura de PhC tipo varilla de Si. El área del analito se consideró dentro de la cavidad. Esta estructura aumentó la interacción luz-analito al agregar varillas metálicas en las regiones de acoplamiento. Se realizaron simulaciones numéricas basadas en el método FDTD. El sensor híbrido propuesto puede mejorar simultáneamente los valores de sensibilidad y figura de mérito (FoM). Según los resultados, se obtuvo una sensibilidad de 1672 nm/RIU y una gran FoM de 2388 RIU-1 para el modo híbrido P-PhC, que eran mayores que las de las estructuras de sensores de PhC puro sin varillas metálicas, respectivamente. Por lo tanto, el sensor híbrido P-PhC RI propuesto puede ser un candidato más fascinante para aplicaciones de detección de alta sensibilidad y alta resolución en longitudes de onda de comunicación óptica.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a solicitud razonable.

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Leila Hajshahvaladi, Hassan Kaatuzian y Maryam Moghaddasi

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Mohammad Danae

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Diseño, análisis e investigación: LH, redacción: preparación del borrador original: LH, MM, redacción: revisión y edición: MD, supervisión: MD, HK

Correspondencia a Mohammad Danaie.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Hajshahvaladi, L., Kaatuzian, H., Moghaddasi, M. et al. Hibridación de plasmones de superficie y resonadores de cristales fotónicos para aplicaciones de detección de alta sensibilidad y alta resolución. Representante científico 12, 21292 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25980-y

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Recibido: 16 de agosto de 2022

Aceptado: 07 de diciembre de 2022

Publicado: 09 de diciembre de 2022

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

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