基于微納光纖光子晶體-金薄膜的Tamm 態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

李春冉，于洋

（五邑大學(xué) 應(yīng)用物理與材料學(xué)院，廣東 江門 529020）

光學(xué)Tamm 態(tài)作為一種局域表面態(tài)，能夠極大增強(qiáng)場(chǎng)分布，具有易被激發(fā)、低反射率、阻抗共軛匹配、強(qiáng)局域光場(chǎng)、低損耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)高靈敏度的光學(xué)檢測(cè)，可應(yīng)用于光學(xué)器件[1-3]、傳感檢測(cè)[4-5]、激光器等領(lǐng)域.2018 年，Tsurimaki 等[1]提出一種沉積在硅襯底上的 SiO2/Si3N4光子晶體-金屬結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了近零反射及阻抗匹配，可用于制備一個(gè)完美吸收器.2020 年，ZakyA 等[4]提出一種Ag/空氣/（PSi1/PSi2）N/Si 的Tamm 態(tài)氣體傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣體折射率微小變化的高靈敏度檢測(cè).但上述光子晶體（Photonic crystal，Phc）結(jié)構(gòu)制備工藝復(fù)雜，且需要復(fù)雜的設(shè)備與各檢測(cè)儀器耦合.因此，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化、集成化及遠(yuǎn)程傳感較為困難.2022 年，Du 等[6]通過(guò)在單模光纖端面沉積SiO2和TiO2布拉格反射鏡和一層銀薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)Tamm 態(tài)，實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的場(chǎng)局域特性.該結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、抗電磁干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性高且易于與通信設(shè)備絕熱耦合.但是，通過(guò)沉積不同材料的反射鏡來(lái)調(diào)諧Tamm 態(tài)的激發(fā)效率仍然面臨著制備工藝復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)微型化的困難.

本文提出一種基于微納光纖光子晶體-金薄膜結(jié)構(gòu)的Tamm 態(tài)系統(tǒng)，其中，光子晶體結(jié)構(gòu)通過(guò)在一根 2 μm×(0.7×0.7)μm2的微納光纖波導(dǎo)上刻蝕周期性結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn).微納光纖體積小、倏逝場(chǎng)強(qiáng)，對(duì)周圍環(huán)境的微小變化敏感[7].本文利用時(shí)域有限差分方法（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD），擬通過(guò)調(diào)諧光纖端面的表面阻抗來(lái)匹配金屬的表面阻抗，以實(shí)現(xiàn)反射率低、局域場(chǎng)強(qiáng)等特點(diǎn)，并基于此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一種高靈敏度的氣體折射率傳感系統(tǒng).

1 微納光纖光子晶體-金薄膜結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析

本文所設(shè)計(jì)的微納光纖光子晶體-金薄膜結(jié)構(gòu)如圖1-a 所示.微納光纖光子晶體結(jié)構(gòu)由一根微納波導(dǎo)與方形空氣孔洞組成，光纖波導(dǎo)的折射率設(shè)置為1.44，直徑0.7 μm，孔洞折射率設(shè)置為1，個(gè)數(shù)為5，x方向的長(zhǎng)度設(shè)為0.3 μm.光纖層與空氣層的厚度L分別設(shè)置為160 nm 和192 nm，以滿足（其中，λc為中心波長(zhǎng)，neff為有效折射率.選擇能夠使光子晶體結(jié)構(gòu)所提供的反射光譜的帶寬較寬、反射率較高，以達(dá)到完美的Tamm態(tài)激發(fā)效果）.在光纖的末端設(shè)置一層金薄膜，厚度為0.1μm.光源設(shè)置為模式光源，波長(zhǎng)0.6～1.0 μm，從光纖端垂直入射到光子晶體-金薄膜結(jié)構(gòu)中.為了提高仿真結(jié)果的精確度，每個(gè)方向的邊界條件都設(shè)置為完美匹配層（PML 層）[10].PML 層是一種特殊的吸收邊界條件，能有效地吸收電磁波，以最大程度地降低邊界反射.另外，在本文所考慮的光譜范圍內(nèi)，所有介質(zhì)的耗散損失可以忽略不計(jì).與目前沉積所制備的結(jié)構(gòu)相比，該結(jié)構(gòu)體積小、易于與通信系統(tǒng)絕熱集成，在遠(yuǎn)程傳感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景.

圖1 基于微納光纖光子晶體-金薄膜結(jié)構(gòu)的Tamm 態(tài)系統(tǒng)

當(dāng)光波通過(guò)兩種介質(zhì)的界面時(shí)，光學(xué)阻抗決定著光波傳輸?shù)臓顟B(tài).光學(xué)阻抗是一個(gè)復(fù)數(shù)，微納光纖光子晶體結(jié)構(gòu)表面的光阻抗可以定義為[1,11]：

而金薄膜的光阻抗可以定義為：

其中，Ex和Hy分別表示介質(zhì)表面的總電場(chǎng)和總磁場(chǎng).該方法需要大量計(jì)算電場(chǎng)與磁場(chǎng)的值，過(guò)程較為復(fù)雜.而界面上局域場(chǎng)的存在與幾何相位有關(guān)[12]，因此可以利用反射系數(shù)來(lái)計(jì)算光阻抗，這種計(jì)算方法更為簡(jiǎn)單，即：

微納光纖光子晶體（Phc）結(jié)構(gòu)得到的反射光譜帶寬較寬，如圖2-a 中黑色實(shí)線所示；在其末端設(shè)置一層金薄膜得到的反射光譜如圖2-a 中紅色實(shí)線所示，這種Phc-Au 結(jié)構(gòu)在波長(zhǎng)為0.811 08 μm 處的反射率最低，產(chǎn)生了明顯的諧振峰，這是因?yàn)楣饫w端面與金屬薄膜的界面處出現(xiàn)了共軛匹配.圖2-b 比較了諧振波長(zhǎng)處z方向的場(chǎng)強(qiáng)，相比于光子晶體結(jié)構(gòu)（虛線）的場(chǎng)強(qiáng)，光子晶體-金薄膜（實(shí)線）界面處的電場(chǎng)強(qiáng)度E與磁場(chǎng)強(qiáng)度H出現(xiàn)了明顯的局域化，是原來(lái)的40 倍，是原來(lái)的300 倍，證明了光被局限在了界面處.同時(shí)，圖中光子晶體（上）及光子晶體-金薄膜結(jié)構(gòu)（下）的電場(chǎng)分布對(duì)比，也證明了場(chǎng)局域化發(fā)生在光子晶體與金薄膜結(jié)構(gòu)的界面處，這種場(chǎng)局域化可以增強(qiáng)光與物質(zhì)的相互作用.該研究結(jié)果對(duì)于深入理解Tamm 態(tài)的激發(fā)機(jī)制，開(kāi)發(fā)新型微納光纖光子晶體器件具有重要意義，可為該領(lǐng)域的研究提供重要的理論支持.

圖2 微納光纖光子晶體及光子晶體-金薄膜結(jié)構(gòu)的反射譜與場(chǎng)強(qiáng)

2 微納光纖缺陷層對(duì)Tamm 態(tài)激發(fā)的影響

為了實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的Tamm 態(tài)激發(fā)效率，通過(guò)改變最后一層光纖層的厚度引入缺陷層來(lái)協(xié)調(diào)表面光阻抗.不同的缺陷層厚度d對(duì)應(yīng)的 Tamm 態(tài)激發(fā)效率不同，如圖3-a 所示.當(dāng)缺陷層厚度分別為96.86 nm、157.93 nm 和219 nm 時(shí)，諧振模式發(fā)生改變，且隨著厚度的增加，反射光譜的諧振峰發(fā)生了紅移.這是因?yàn)椴煌暮穸葧?huì)改變光子晶體結(jié)構(gòu)表面的光阻抗，從而導(dǎo)致諧振峰產(chǎn)生移動(dòng).為了進(jìn)一步探究不同缺陷層厚度對(duì)Tamm 態(tài)激發(fā)效果的影響，利用FDTD 方法計(jì)算了3 種不同厚度的x-z平面的電場(chǎng)強(qiáng)度，如圖3-b 所示.當(dāng)d=157.93 nm 時(shí)，諧振最強(qiáng)，反射譜接近0 反射，Tamm 態(tài)的激發(fā)效果最佳，電場(chǎng)局域的能力最強(qiáng).這是因?yàn)樵摖顟B(tài)下光纖端面的光阻抗與金屬表面的光阻抗達(dá)到了完美的共軛匹配，從而增強(qiáng)了Tamm 態(tài)的激發(fā)效率.當(dāng)d=96.86 nm 和d=219 nm時(shí)，諧振深度較小，場(chǎng)局域效果不佳.這一結(jié)果揭示：引入合適的缺陷層厚度，能夠?qū)崿F(xiàn)完美共軛匹配.該研究結(jié)果為微納光纖光子晶體在Tamm 態(tài)激發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的理論支持.

圖3 微納光纖缺陷層對(duì)Tamm態(tài)激發(fā)的影響

3 傳感應(yīng)用研究

氣體傳感在環(huán)境監(jiān)測(cè)、化工生產(chǎn)、公共安全和醫(yī)療診斷等方面[4,13-14]都有著重要的研究?jī)r(jià)值.例如，對(duì)二氧化碳、一氧化二氮等氣體濃度的監(jiān)測(cè)可以用作環(huán)境污染檢測(cè).微納光纖光子晶體-金薄膜結(jié)構(gòu)與介質(zhì)的接觸時(shí)間較長(zhǎng)、穩(wěn)定性好，不會(huì)受到被測(cè)介質(zhì)的影響.基于缺陷層厚度為157.93 nm 的微納光纖光子晶體-金薄膜結(jié)構(gòu)提出一種氣體傳感系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖4-a 所示.在該系統(tǒng)中，氣體樣品從入口注入，樣品可以在容器中與傳感器充分接觸.通過(guò)更改背景折射率與空氣孔的折射率來(lái)模擬氣體傳感系統(tǒng)內(nèi)的環(huán)境變化，通過(guò)仿真計(jì)算，當(dāng)折射率從1.002 變化到1.008 時(shí)，其對(duì)應(yīng)的反射光譜出現(xiàn)紅移，如圖4-b 所示.其線性靈敏度可以表示為峰移與折射率變化的比值，即：Sλ=dλ/dn=288.5 nm/RIU，如圖4-c 所示.

圖4 氣體傳感系統(tǒng)

為了提高氣體的傳感靈敏度，我們對(duì)上述傳感系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化：將光纖缺陷層去掉，使微納光纖光子晶體與金薄膜之間形成一個(gè)氣體檢測(cè)的腔室，腔室結(jié)構(gòu)如圖5-a 中插圖所示.該腔室以被測(cè)氣體作為缺陷層，可以增強(qiáng)光與氣體之間的相互作用，提高傳感靈敏度.從圖5-b 中可以看出：隨著周圍環(huán)境折射率的增加，Tamm 態(tài)的諧振峰產(chǎn)生了非常明顯的紅移.與未優(yōu)化的結(jié)構(gòu)相比，峰移靈敏度Sλ提升到了579.3 nm/RIU，如圖5-c 所示.這是因?yàn)殡S著氣體充滿缺陷層，傳感器與被測(cè)氣體的接觸面積增加，光場(chǎng)與氣體的相互作用增強(qiáng)，從而提高了氣體檢測(cè)的靈敏度.該系統(tǒng)提供了一種小體積、高靈敏度檢測(cè)環(huán)境微小變化的應(yīng)用潛力，可在環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)成像和治療等領(lǐng)域應(yīng)用.

圖5 優(yōu)化后的氣體傳感系統(tǒng)

4 結(jié)論

本文提出一種小體積的微納光纖光子晶體-金薄膜結(jié)構(gòu)的光學(xué)Tamm 態(tài)集成器件.通過(guò)引入缺陷態(tài)使光纖端面與金屬表面的光阻抗共軛匹配，實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的場(chǎng)增強(qiáng)與較低的反射率.該結(jié)構(gòu)方便與光纖通信網(wǎng)絡(luò)、檢測(cè)儀器等設(shè)備絕熱集成，具有靈敏度高、易集成及微型化的特點(diǎn).基于以上優(yōu)異特性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)氣體折射率傳感系統(tǒng)，通過(guò)反射光譜中諧振波長(zhǎng)的移動(dòng)來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境變化，最終實(shí)現(xiàn)了579.3 nm/RIU 的高靈敏度，為實(shí)現(xiàn)高靈敏度的氣體檢測(cè)提供了一種優(yōu)異的方法.該研究在光學(xué)檢測(cè)和遠(yuǎn)程傳感技術(shù)等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景.