混合布洛赫等离激元传感器件机理及实验研究

The Bloch surface wave based on photonic crystal has the characteristics of low-loss and significant field enhancement at the surface, which has been regarded as one of the key solutions to realize highly-sensitive sensing. However, its development in integrated photonic devices is greatly restricted due to the poor confinement of light transport of photonic crystal. For the purpose of achieving a sensor with the features of ultra-low propagation loss, significant field enhancement and confinement, this program proposes a novel type of hybrid bloch plasmon polariton structure based on the coupling of photonic crystal and metal slot. Through theoretical analysis and numerical simulations of the fundamental issues including the hybridization mechanism and modal characteristics, combined with the consideration of fabrication technologies , design and fabrication of the sensor structure based on hybrid mode will be realized. Experiments will be then carried out to further investigate its properties of optical sensing. The above work in this program is expected to provide important theoretical and technical basis for realization of new integrated photonic devices.

基于光子晶体结构的布洛赫表面波具有传输损耗低以及显著的表面局域场增强的特点，因而被视为实现高灵敏度传感检测的关键技术发展方向。然而，由于光子晶体对传输光场的约束能力较差，这极大的制约了其在集成光子器件中的发展。本项目以实现兼具超低传输损耗、显著场增强效应以及光场束缚能力的传感器件结构为目的，提出基于光子晶体结构和金属狭缝结构相耦合的新型混合布洛赫等离激元结构。通过对混合结构耦合机制和模式特性等基础问题的理论分析和数值计算，结合标准加工工艺，实现混合模式传感器件的设计及样品制备，并对制备器件的光学传感特性进行测量。相关研究为设计、实现新型集成光子器件提供了重要的理论和技术基础。

基于光子晶体结构的布洛赫光学表面波具有传输损耗低以及显著的表面局域场增强的特点，因此被视为实现高灵敏度传感的关键技术发展方向。然而，由于光子晶体结构对传输光场的束缚能力较差，这极大的制约了其在集成光学器件领域的发展。本课题从布洛赫表面模式传输特性，耦合机制及其光学应用等核心问题出发，在器件结构理论仿真设计、特性测试和传感检测应用等方面分别对基于金属/光子晶体结构、介质/光子晶体结构的混合布洛赫表面激元特性以及布洛赫表面波增强的非镜面反射效应等几个方面开展了深入研究。实现并完善了能够描述混合布洛赫表面激元器件结构耦合机理和传输特性的理论分析方法和器件仿真优化设计方法，建立了布洛赫表面波传感器件研究实验平台，实验验证了布洛赫表面波传感器件结构的研究和设计分析方法。.本课题采用传输矩阵法对光子晶体的带隙结构进行分析，采用菲涅尔公式对其反射效应以及缓冲层的作用进行研究，设计可以激发布洛赫表面波的光子晶体结构，而后采用耦合模式理论利用有限元分析方法仿真叠加金属结构和介质结构的混合布洛赫等离激元结构模式特性，优化目标参数，确定最终的混合结构参数。利用光场束缚能力较强的金属纳米结构和传输损耗小的光子晶体结构的耦合，以及介质纳米结构和光子晶体结构的耦合，设计了可以实现兼具低传输损耗和显著场增强效应及强的光场约束能力的混合布洛赫表面激元传感器件结构。在对布洛赫表面波的传感检测应用及其增强的非镜面反射效应的研究中，优化了基于共振衰减峰的强度传感检测和基于反射相位的相位传感检测方法，实现了一种相位增强的强度传感检测方法和基于非镜面反射效应的高灵敏度传感检测系统。本课题实现的布洛赫表面波传输机理的研究成果，为实现高性能布洛赫表面波传感检测探索了可能的有效途径，并为集成光学相关领域的发展提供有效的技术支持。.在本项目资助下，本课题组共发表论文9篇，其中 SCI 期刊论文5篇，国际会议论文4篇，申请发明专利1项，培养硕士生2人。