高性能布洛赫表面波传感：面向低检测限的优化光子带隙结构

《IEEE Photonics Journal》：High Performance Bloch Surface Wave Sensing: Optimized Photonic Bandgap Structure for Low Detection Limit

本刊编辑推荐：针对表面等离子体共振(SPR)传感器存在高光学损耗和共振峰宽等问题，研究人员开发了一种基于优化一维光子晶体(PBG)的布洛赫表面波(BSW)传感器。该研究通过传输矩阵法(TMM)设计了TiO2/SiO2周期性结构，在近红外波段实现了半高宽仅0.036°的尖锐共振(品质因子Q>1480)，强度检测分辨率达4.51×10-7RIU，为无标记生化传感提供了新一代平台。

　　

在生物化学检测和医疗诊断领域，高灵敏度传感技术一直备受关注。传统的表面等离子体共振(SPR)传感器虽然具有实时、无标记检测的优势，但由于金属材料固有的光学损耗，导致共振峰较宽，限制了其检测灵敏度。近年来，科学家们开始探索一种新型的光学表面波——布洛赫表面波(BSW)，它诞生于全介质光子晶体界面，具有低损耗、尖锐共振和可调偏振等独特优势。

布洛赫表面波作为一种电磁表面波，被限制在两种介质的界面处传播，其近场局域特性使得表面光学场显著增强，对表面折射率的微小变化极为敏感。与SPR相比，BSW传感器不仅能够实现更尖锐的共振峰，还可以通过光子晶体设计灵活调控倏逝场分布，从而优化传感性能。这一特性使得BSW传感器在实现高灵敏度、低检测限方面展现出巨大潜力。

在这项发表于《IEEE Photonics Journal》的研究中，研究人员设计并验证了一种高性能BSW传感器，该传感器基于优化的一维光子带隙结构，专门用于超灵敏折射率检测。传感器结构由TiO₂和SiO₂周期性堆叠而成，顶部覆盖TiO₂盖层，通过传输矩阵法进行优化设计，可在水环境中工作。

研究团队通过数值模拟和理论分析，系统设计了光子带隙结构以实现增强的场局域和低传输损耗。他们采用克雷奇曼-雷瑟棱镜耦合装置配合精密角度控制，实验验证了器件的优异性能。传感器展现出窄共振特性(半高宽为0.036°)和高品质因子(大于1480)，证实了其卓越的传感能力，实现了高传感灵敏度和基于强度的检测分辨率4.51×10^-7RIU。

关键技术方法包括：采用传输矩阵法优化一维光子晶体结构参数；基于阻抗匹配方法确定TiO₂(162nm)和SiO₂(338nm)层厚度；构建克雷奇曼-雷瑟棱镜耦合实验系统；通过微流控通道引入不同浓度NaCl溶液进行折射率灵敏度测试；采用固定角度强度检测方案评估传感器性能。

BSW器件结构

研究人员通过传输矩阵法全面优化了截断一维光子晶体结构，特别关注了周期性、层数、材料组成和各层厚度。传感器结构包含交替的TiO₂高折射率层和SiO₂低折射率介质层，两种材料间显著的折射率对比增强了光子带隙效应，进而提高了BSW的局域场强度。结构包含10个交替周期，顶部覆盖40nm厚的TiO₂盖层。在980nm工作波长下，ZF10玻璃、TiO₂和SiO₂的折射率分别为1.668、2.3和1.434。TiO₂的吸收系数设置为2×10^-4以考虑本征材料衰减和界面散射效应。

图2展示了对应无限一维光子晶体多层结构的P偏振带结构。根据传输矩阵法，当|A+D|<2时，布洛赫波作为行波传播，形成图中蓝色区域所示的传输带。当|A+D|>2时，没有实布洛赫波矢量阻止波状传播，形成指数衰减的倏逝场，构成光子带隙(图中灰色区域)。水介质的光线位于光子带隙内，且|A+D|=2带边位于水介质光线左侧，这为常规BSW激发建立了理论边界。

对于工作波长，角度带隙特性(图3红色实线)在大约50°至60°的角度范围内表现出近乎全反射(约100%)，表明该区域为BSW模式的潜在激发区。当使用水介质时，在该带内可以观察到角度反射率曲线中的明显共振凹陷(图3黑色实线)，与BSW激发一致。伴随该共振，反射相位谱中出现急剧跳跃(图3蓝色实线)。同时，图3插图中分析了共振条件下的电场分布以量化传感界面处的场增强。传感器-分析物界面处强度与入射光束强度的比值计算约为550倍，这种显著增强通过加强光-分析物相互作用对提高传感器灵敏度起到关键作用。

实验设置与结果讨论

研究人员采用传统克雷奇曼-雷瑟棱镜耦合设置，对制备的器件进行角度分辨反射率测量，以获得BSW模式的具体激发角度。此外，进行固定角度强度检测以评估所提出结构的灵敏度。

实验装置如图4所示，使用光谱稳定的980nm法布里-珀罗激光器作为光源，其输出通过偏振控制器偏振，并通过准直透镜准直为高斯光束。为满足水环境中BSW生成的P偏振激发要求，准直高斯光束的偏振在使用偏振分束器(PBS)前精确设置为P偏振，然后导向克雷奇曼耦合棱镜的侧面。使用SF10棱镜(n=1.704，60°顶角)和折射率匹配液粘合光子带隙传感器结构。PDMS微流控系统通过范德华力粘附传感器芯片，创建密封流动通道用于盖层界面处的动态折射率操控。

首先，通过依次将NaCl溶液引入微流控系统来表征折射率变化的角度反射率响应。流动期间的实时光谱采集捕获了BSW共振角的渐进位移。BSW共振对环境折射率的强依赖性表现为不同分析物浓度下可测量的角度凹陷位移。这些系统光谱位移为构建具有高检测灵敏度的浓度依赖性反射率曲线提供了坚实基础。

如图5所示，角度反射率光谱展示了明确共振特征(半高宽=0.036°)的浓度依赖性位移，每条轨迹表示0.1wt% NaCl浓度步长。窄共振凹陷证实了高质量BSW激发，产生超过1480的品质因子(Q)。当NaCl浓度从纯水增加到0.5wt%时，观察到约0.023°的显著角度位移。图5中的插图进一步揭示了角度位移与折射率变化之间的强线性相关性。这相当于26°/RIU的折射率灵敏度，低于优化SPR传感器通常达到的值(根据配置灵敏度可达约200°/RIU)。

为开发高灵敏度BSW强度检测，研究人员通过将入射角保持在共振凹陷最大斜率(dI/dθ)区域约53.42°处实施固定角度测量。该角度出现在最大强度斜率位置的三分之一处，优化了动态范围并确保强度检测的线性响应。

如图6(a)所示，浓度依赖性BSW反射率动态响应显示了折射率变化时的显著强度调制。图6(b)中的校准曲线证实了反射强度与折射率之间的线性关系。72.36 V/RIU的斜率意味着1.38×10^-5RIU/mV的检测灵敏度。这些发现验证了系统检测微小折射率变化的高灵敏度能力，为近红外光谱范围内的无标记光子传感器定义了新的性能标准。静态条件下(去离子水，25°C)的噪声表征在1Hz带宽下产生σ_noise=10.89μV RMS。结合校准灵敏度，这转化为4.51×10^-7RIU的创纪录分辨率，从而实现低检测限的传感检测。

结论

本研究展示了一种基于优化一维光子晶体平台的BSW传感器的卓越传感能力。该传感器器件具有尖锐共振和高品质因子，允许精确检测折射率变化。固定角度强度测量进一步揭示了所提出传感器对分析物浓度变化的线性响应，实现了4.51×10^-7RIU的创纪录分辨率。这些结果强调了BSW的优势，包括低光学损耗和强场增强，适用于高性能传感应用。该技术与微流控系统和先进光子设计的集成可能产生适用于生化检测和环境监测等多个领域的多功能传感系统。

与使用类似TiO₂/SiO₂材料体系的其他高度优化的BSW传感器相比，本器件在强度 interrogation方案下评估时表现出相当的性能增强水平，实现了约两倍的品质因数(约722 RIU^-1对比文献[16]报道的约301 RIU^-1)，同时改善了检测分辨率。更值得注意的是，本传感器性能优于许多先进SPR配置，实现了比棱镜耦合角度interrogated SPR传感器报道的约2×10^-6RIU低约一个数量级的检测限，且检测限可与先进SPR传感方案相媲美。这些直接比较证实，虽然基于成熟物理平台，但本研究实现的性能水平代表了无标记光学传感领域的显著进步。