Hybridation de plasmons de surface et de résonateurs à cristaux photoniques pour des performances élevées

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 21292 (2022) Citer cet article

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Dans cet article, un capteur d'indice de réfraction optique (RI) basé sur un cristal hybride plasmonique-photonique (P-PhC) est conçu. Dans la structure du capteur, certaines tiges métalliques sont intégrées dans une structure à cristal photonique (PhC) de type tige. Les simulations numériques sont effectuées sur la base de la méthode du domaine temporel aux différences finies (FDTD). Les résultats obtenus illustrent que les plasmons de surface localisés (LSP) induits par des tiges métalliques peuvent être excités dans un réseau PhC pour générer un mode hybride P-PhC. Selon les résultats, le mode hybride offre des opportunités uniques. L'utilisation de tiges métalliques dans les régions de couplage entre les guides d'ondes et la cavité résonante augmente considérablement l'interaction du champ optique et de l'analyte à l'intérieur de la cavité. Les résultats de la simulation révèlent qu'une sensibilité élevée de 1 672 nm/RIU et un excellent facteur de mérite (FoM) de 2 388 RIU−1 sont obtenus pour le capteur hybride P-PhC proposé. Ces valeurs sont les plus élevées par rapport aux capteurs purement plasmoniques et/ou purement PhC rapportés dans la littérature. Le capteur proposé pourrait simultanément améliorer la sensibilité et les valeurs de FoM. Par conséquent, le capteur hybride P-PhC RI proposé est un candidat plus fascinant pour les applications de détection haute sensibilité et haute résolution aux longueurs d’onde de communication optique.

Ces dernières années, les capteurs d'indice de réfraction optique (RI) ont été étudiés de manière approfondie en raison de la demande croissante d'applications de détection et de détection1,2,3. Les principaux paramètres permettant d'évaluer les performances de détection des capteurs basés sur RI sont la sensibilité et le facteur de mérite (FoM)4,5,6. Les capteurs optiques basés sur RI sont sensibles aux petites versions RI de l'analyte. Dans les capteurs plasmoniques, elle provient de l’interaction du champ évanescent avec l’analyte7. Un capteur parfait basé sur RI doit non seulement être très sensible aux petites versions RI, mais doit également avoir une grande FoM. À cet égard, le plasmonique8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 et le cristal photonique (PhC)20,21,22,23,24,25,26,27,28 les structures ont présenté les capacités de détection les plus prometteuses. Néanmoins, il existe quelques défis pour obtenir les meilleures performances de détection. Les capteurs RI à base de plasmonique accentuent l'interaction lumière-matière en excitant les polaritons de plasmons de surface (SPP) et les plasmons de surface localisés (LSP) sur l'interface métal-diélectrique . Ces structures manipulent la lumière à des échelles inférieures à la longueur d’onde32,33. Cependant, la présence de métaux dans les capteurs RI plasmoniques entraîne d’importantes pertes ohmiques et des coûts de fabrication plus élevés34,35,36,37. Par conséquent, les capteurs plasmoniques ont généralement tendance à avoir une meilleure sensibilité. Cependant, leur FoM est réduit en raison de leurs pertes plus élevées. En revanche, les capteurs RI basés sur PhC ont tendance à avoir des pertes plus faibles et sont capables de fournir une FoM38,39,40,41,42 plus élevée. Cependant, les capteurs PhC présentent généralement un petit chevauchement de champ avec l’analyte, ce qui entraîne une sensibilité inférieure à celle des capteurs plasmoniques. Dans les structures de capteurs PhC, la stabilité est étudiée en raison des écarts qui se produisent dans les processus de fabrication réels43.

En raison des propriétés mentionnées, l’une des techniques attrayantes et progressives permettant d’acquérir une sensibilité accrue et une FoM plus grande consiste à combiner un composant plasmonique avec une structure PhC pour créer un capteur hybride avancé à cristaux plasmoniques-photoniques (P-PhC)44,45,46, 47,48,49. Dans une telle structure de capteur hybride, la nature de l'onde de surface à l'interface métallique améliore la sensibilité et la nature sans perte du réseau cristallin photonique améliore le FoM50,51,52. Par conséquent, la combinaison des deux fonctionnalités peut fournir des performances de détection exceptionnelles5,53. Ces dernières années, la combinaison d'un composant plasmonique tel que des films métalliques ou des nanostructures métalliques avec une structure PhC a été explorée et expérimentée54,55,56. Le capteur hybride P-PhC surpasse les capteurs plasmoniques et PhC individuels. De plus, les propriétés du champ électromagnétique dans les structures plasmoniques et PhC sont de nature complémentaire à bien des égards. Cela finit par améliorer les performances globales par une telle hybridation. Le capteur hybride peut étendre les capacités des capteurs plasmoniques et basés sur PhC via l’utilisation simultanée de la forte interaction lumière-matière du composant plasmonique et des faibles pertes du PhC57,58,59. De plus, beaucoup moins de matériaux métalliques sont utilisés dans les capteurs hybrides PhC-P par rapport aux capteurs purement plasmoniques, ce qui entraîne une réduction des pertes de propagation et des coûts de fabrication5,60.