Hibridização de plasmons de superfície e ressonadores de cristal fotônico para alta

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21292 (2022) Citar este artigo

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Neste artigo, um sensor óptico de índice de refração (RI) baseado em um cristal híbrido plasmônico-fotônico (P-PhC) é projetado. Na estrutura do sensor, algumas hastes metálicas estão embutidas em uma estrutura de cristal fotônico tipo haste (PhC). Simulações numéricas são realizadas com base no método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD). Os resultados obtidos ilustram que os plasmons de superfície localizados (LSP) induzidos por hastes metálicas podem ser excitados em uma rede PhC para gerar um modo híbrido P-PhC. De acordo com os resultados, a modalidade híbrida oferece oportunidades únicas. O uso de hastes metálicas nas regiões de acoplamento entre os guias de onda e a cavidade ressonante aumenta significativamente a interação do campo óptico e do analito dentro da cavidade. Os resultados da simulação revelam que alta sensibilidade de 1672 nm/RIU e uma excelente figura de mérito (FoM) de 2388 RIU-1 são obtidas para o sensor híbrido P-PhC proposto. Estes valores são mais elevados em comparação com os sensores puramente plasmônicos e/ou puramente PhC relatados na literatura. O sensor proposto poderia aumentar simultaneamente a sensibilidade e os valores de FoM. Portanto, o sensor híbrido P-PhC RI proposto é um candidato mais fascinante para aplicações de detecção de alta sensibilidade e alta resolução em comprimentos de onda de comunicação óptica.

Nos últimos anos, os sensores de índice de refração óptico (IR) têm sido extensivamente estudados devido às crescentes demandas por aplicações de detecção e detecção . Os principais parâmetros para avaliar o desempenho de detecção de sensores baseados em RI são a sensibilidade e a figura de mérito (FoM)4,5,6. Os sensores ópticos baseados em RI são sensíveis a pequenas versões de RI do analito. Nos sensores plasmônicos, origina-se da interação do campo evanescente com o analito7. Um sensor baseado em RI perfeito não deve apenas ser altamente sensível a versões pequenas de RI, mas também precisa ter um FoM grande. Nesse sentido, plasmônico8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19 e cristal fotônico (PhC)20,21,22,23,24,25,26,27,28 estruturas apresentaram as habilidades sensoriais mais promissoras. No entanto, existem alguns desafios para alcançar o melhor desempenho de detecção. Sensores RI baseados em plasmônicos acentuam a interação luz-matéria excitando os polaritons plasmônicos de superfície (SPP) e os plasmons de superfície localizados (LSP) na interface metal-dielétrica . Essas estruturas manipulam a luz em escalas de subcomprimentos de onda32,33. No entanto, a presença de metais em sensores RI baseados em plasmônicos resulta em grandes perdas ôhmicas e maiores custos de fabricação34,35,36,37. Portanto, os sensores plasmônicos geralmente tendem a ter melhor sensibilidade. Embora tenham um FoM diminuído devido às suas maiores perdas. Em contraste, os sensores RI baseados em PhC tendem a ter perdas mais baixas e são capazes de fornecer um FoM mais elevado38,39,40,41,42. No entanto, os sensores PhC geralmente exibem uma pequena sobreposição de campo com o analito, resultando em menor sensibilidade em comparação com sensores plasmônicos. Nas estruturas de sensores PhC, a estabilidade é investigada devido a desvios que ocorrem nos próprios processos de fabricação .

Devido às propriedades mencionadas, uma das técnicas atraentes e progressivas para adquirir maior sensibilidade e maior FoM é combinar um componente plasmônico com uma estrutura PhC para criar um sensor avançado de cristal híbrido plasmônico-fotônico (P-PhC) . 47,48,49. Em tal estrutura de sensor híbrido, a natureza da onda superficial na interface metálica aumenta a sensibilidade e a natureza sem perdas da rede cristalina fotônica aumenta o FoM50,51,52. Portanto, a combinação de ambos os recursos pode proporcionar um excelente desempenho de detecção5,53. Nos últimos anos, a combinação de um componente plasmônico, como filmes metálicos ou nanoestruturas metálicas, com uma estrutura PhC tem sido explorada e experimentada54,55,56. O sensor híbrido P-PhC supera os sensores plasmônicos e PhC individuais. Além disso, as propriedades do campo eletromagnético nas estruturas plasmônicas e PhC são, em muitos aspectos, de natureza complementar. Acaba melhorando o desempenho geral com essa hibridização. O sensor híbrido pode expandir as habilidades dos sensores plasmônicos e baseados em PhC através do uso simultâneo da forte interação luz-matéria do componente plasmônico e das baixas perdas do PhC57,58,59. Além disso, muito menos material metálico é utilizado em sensores híbridos PhC-P em comparação com sensores puramente plasmônicos, o que resulta na redução das perdas de propagação e dos custos de fabricação .