光纖端表面等離激元（SP）器件在快速、床旁檢測(cè)方向具有重要的潛在應(yīng)用價(jià)值。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，來(lái)自中國(guó)的科學(xué)家們發(fā)明了一種準(zhǔn)三維等離激元微腔結(jié)構(gòu)，突破了該類器件在非標(biāo)記生物分子檢測(cè)中的信噪比瓶頸。這項(xiàng)工作不僅為實(shí)現(xiàn)高靈敏的光纖端等離激元傳感器鋪平了道路，同時(shí)也為在光纖端面高效率制造三維等離激元納米結(jié)構(gòu)提供了前所未有的高效率自頂向下制備能力。

光纖集成的微型傳感器在床旁快速醫(yī)學(xué)診斷與農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其中，單模光纖端平面的表面等離激元器件，基于其dip-and-read檢測(cè)、僅需少量樣本以及微創(chuàng)內(nèi)窺等天然特征，是床旁或現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的理想選擇。然而，絕大多數(shù)已報(bào)道的該類器件受限于SP與光纖導(dǎo)波耦合的低諧振品質(zhì)因數(shù)（Q）和/或低耦合效率，對(duì)折射率變化的檢測(cè)信噪比遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于自由空間光學(xué)耦合或光波導(dǎo)側(cè)面耦合的SP芯片，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)低濃度檢測(cè)的需求。

近日，上海交通大學(xué)楊天教授課題組及合作研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了單模光纖端面表面等離極化激元（SPP）傳感器在器件設(shè)計(jì)、制備工藝和檢測(cè)信噪比等方面的顯著進(jìn)展。

該成果發(fā)表在Light: Advanced Manufacturing，題為A Quasi-3D Fano Resonance Cavity on Optical Fiber End-Facet for High Signal-to-Noise Ratio Dip-and-Read Surface Plasmon Sensing。

在課題組前期關(guān)于SPP光子晶體微腔的工作基礎(chǔ)上（Appl. Phys. Lett. 108, 231105, 2016; Appl. Phys. Lett. 110, 171107, 2017），該工作引入了SPP微腔與法-珀（F-P）微腔的Fano共振結(jié)構(gòu)，如圖1a所示。其中，SPP光子晶體由一層金薄膜上的周期性納米槽陣列構(gòu)成；而SPP微腔包括位于中央、與光纖芯層對(duì)準(zhǔn)的SPP帶上區(qū)域，與位于四周的SPP帶隙區(qū)域。該帶上區(qū)域通過(guò)光柵耦合作用，將垂直入射光轉(zhuǎn)換為SPP二階能帶上的導(dǎo)波模式。最終，如圖1c所示，光纖導(dǎo)波以F-P微腔為中介，被轉(zhuǎn)換為在水溶液一側(cè)沿SPP微腔振蕩的SPP表面波，從而獲得了SPP與光纖導(dǎo)波耦合的高Q值和高效率。

圖1：?jiǎn)文９饫w端面上Fano共振耦合的SPP微腔。(a)準(zhǔn)三維器件結(jié)構(gòu)示意圖。(b)顯示納米帽和納米槽的局部放大示意圖。(c)電場(chǎng)能量密度分布，其中下方傳來(lái)的光纖導(dǎo)波經(jīng)由F-P腔介導(dǎo)，激發(fā)了水溶液側(cè)的SPP。

為了實(shí)現(xiàn)該器件的高效率制造，作者們先將Fano共振結(jié)構(gòu)批量制備在平面玻璃襯底上，然后再轉(zhuǎn)移到光纖端平面并通過(guò)紫外膠固定（圖2a）。其中，為了保證轉(zhuǎn)移工藝的質(zhì)量與成功率，器件與玻璃襯底的界面應(yīng)具備低黏附特征；同時(shí)，該界面還需滿足F-P腔光場(chǎng)與水溶液側(cè)SPP之間高效率隧穿的要求。為此，作者們發(fā)明了一種納米帽界面，如圖1b所示；其中，幾納米厚的金屬層覆蓋了凸起的介質(zhì)納米槽。

圖2：器件加工與封裝。(a) 光學(xué)顯微鏡下的轉(zhuǎn)移過(guò)程。(b) 封裝在標(biāo)準(zhǔn)光纖連接件中的器件。

最終，作者們將光纖探針?lè)庋b在標(biāo)準(zhǔn)光纖連接件中（圖2b），并對(duì)溶液折射率變化和牛血清白蛋白分子物理吸附進(jìn)行了測(cè)試（圖3）。

圖3：牛血清白蛋白吸附測(cè)試。子圖：諧振波長(zhǎng)隨溶液折射率的變化。

測(cè)試結(jié)果表明，該工作使光纖端SPR傳感器的噪聲等效折射率檢測(cè)限達(dá)到10??RIU水平，這比基于其他設(shè)計(jì)方案的同類器件降低了3個(gè)數(shù)量級(jí)，并已經(jīng)能夠與商業(yè)化棱鏡耦合SPR設(shè)備媲美。

| 論文信息 |

Xiaqing Sun, Zeyu Lei, Hao Zhong, Chenjia He, Sihang Liu, Qingfeng Meng, Qingwei Liu, Shengfu Chen, Xiangyang Kong, Tian Yang. A quasi-3D fano resonance cavity on optical fiber end-facet for high signal-to-noise ratio dip-and-read surface plasmon sensing[J]. Light: Advanced Manufacturing 3, 46(2022). 

https://doi.org/10.37188/lam.2022.046

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