近日，上海交通大学电子信息与电气工程学院感知科学与工程学院纳米光子学课题组与上海交大材料学院及浙江大学化工学院的合作研究团队报道了单模光纤端面表面等离极化激元（SPP）传感器在器件设计、制备工艺和检测信噪比等方面的显著进展。成果发表在Light: Advanced Manufacturing期刊 [1]，被中国光学、美国科学促进会EurekAlert!和美国物理学家组织网Phys.org等多家媒体平台报道。生物光学传感领域国际知名学者密西根大学范旭东教授为该工作撰写的评述发表在Light: Science & Applications期刊的News & Views栏目 [2]。

研究背景

光纤集成的微型传感器在床旁快速医学诊断与农产品现场检验等领域具有广阔的应用前景。其中，单模光纤端平面的表面等离激元（SP）器件，基于其dip-and-read检测、仅需少量样本以及微创内窥等天然特征，是床旁或现场检测的理想选择。然而，绝大多数已报道的该类器件受限于SP与光纤导波耦合的低谐振品质因数（Q）和/或低耦合效率，对折射率变化的检测信噪比远远落后于自由空间光学耦合或光波导侧面耦合的SP芯片，无法满足实际应用场景对低浓度检测的需求。

研究概况

在课题组前期关于SPP光子晶体微腔的工作基础上（Appl. Phys. Lett. 108, 231105, 2016; Appl. Phys. Lett. 110, 171107, 2017），该工作引入了SPP微腔与法-珀（F-P）微腔的Fano共振结构，如图1a所示。其中，SPP光子晶体由一层金薄膜上的周期性纳米槽阵列构成；而SPP微腔包括位于中央、与光纤芯层对准的SPP带上区域，与位于四周的SPP带隙区域。该带上区域通过光栅耦合作用，将垂直入射光转换为SPP二阶能带上的导波模式。最终，如图1c所示，光纤导波以F-P微腔为中介，被转换为在水溶液一侧沿SPP微腔振荡的SPP表面波，从而获得了SPP与光纤导波耦合的高Q值和高效率。

图1 单模光纤端面上Fano共振耦合的SPP微腔。(a)准三维器件结构示意图。(b)显示纳米帽和纳米槽的局部放大示意图。(c)电场能量密度分布，其中下方传来的光纤导波经由F-P腔介导，激发了水溶液侧的SPP。

为了实现该器件的高效率制造，作者们先将Fano共振结构批量制备在平面玻璃衬底上，然后再转移到光纤端平面并通过紫外胶固定（图2a）。其中，为了保证转移工艺的质量与成功率，器件与玻璃衬底的界面应具备低黏附特征；同时，该界面还需满足F-P腔光场与水溶液侧SPP之间高效率隧穿的要求。为此，作者们发明了一种纳米帽界面，如图1b所示；其中，几纳米厚的金属层覆盖了凸起的介质纳米槽。

图2 器件加工与封装。(a) 光学显微镜下的转移过程。(b) 封装在标准光纤连接件中的器件。

最终，作者们将光纤探针封装在标准光纤连接件中（图2b），并对溶液折射率变化和牛血清白蛋白分子物理吸附进行了测试（图3）。测试结果表明，该工作使光纤端SPR传感器的噪声等效折射率检测限达到10-7 RIU水平，这比基于其他设计方案的同类器件降低了3个数量级，并已经能够与商业化棱镜耦合SPR设备媲美。

图3 牛血清白蛋白吸附测试。子图：谐振波长随溶液折射率的变化。

这项工作不仅为实现高灵敏的光纤端等离激元传感器铺平了道路，同时也为在光纤端面高效率制造三维等离激元纳米结构提供了前所未有的高效率自顶向下制备能力。论文第一作者为博士生孙夏清，通讯作者为感知学院杨天老师。研究工作得到国家自然科学基金委、上海市科委和转化医学国家重大科技基础设施（上海）的资助。

[1] Xiaqing Sun, Zeyu Lei, Hao Zhong, Chenjia He, Sihang Liu, Qingfeng Meng, Qingwei Liu, Shengfu Chen, Xiangyang Kong and 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, Light: Adv. Manuf. 3, 46 (2022).

[2] Xudong Fan, Sensitive surface plasmon resonance label-free biosensor on a fiber end-facet, Light: Sci. Appl. 11, 325 (2022).

论文链接      

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

（本文部分内容来源自中国光学微信公众号）