光纖端表面等離激元（SP）器件在快速、床旁檢測方向具有重要的潛在應用價值。為了實現這一目標，來自中國的科學家們發明了一種準三維等離激元微腔結構，突破了該類器件在非標記生物分子檢測中的信噪比瓶頸。這項工作不僅為實現高靈敏的光纖端等離激元傳感器鋪平了道路，同時也為在光纖端面高效率制造三維等離激元納米結構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學診斷與農產品現場檢驗等領域具有廣闊的應用前景。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、僅需少量樣本以及微創內窺等天然特征，是床旁或現場檢測的理想選擇。然而，絕大多數已報道的該類器件受限于SP與光纖導波耦合的低諧振品質因數（Q）和/或低耦合效率，對折射率變化的檢測信噪比遠遠落后于自由空間光學耦合或光波導側面耦合的SP芯片，無法滿足實際應用場景對低濃度檢測的需求。

近日，上海交通大學楊天教授課題組及合作研究團隊報道了單模光纖端面表面等離極化激元（SPP）傳感器在器件設計、制備工藝和檢測信噪比等方面的顯著進展。

該成果發表在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。

在課題組前期關于SPP光子晶體微腔的工作基礎上（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共振結構，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成；而SPP微腔包括位于中央、與光纖芯層對準的SPP帶上區域，與位于四周的SPP帶隙區域。該帶上區域通過光柵耦合作用，將垂直入射光轉換為SPP二階能帶上的導波模式。最終，如圖1c所示，光纖導波以F-P微腔為中介，被轉換為在水溶液一側沿SPP微腔振蕩的SPP表面波，從而獲得了SPP與光纖導波耦合的高Q值和高效率。

圖1：單模光纖端面上Fano共振耦合的SPP微腔。(a)準三維器件結構示意圖。(b)顯示納米帽和納米槽的局部放大示意圖。(c)電場能量密度分布，其中下方傳來的光纖導波經由F-P腔介導，激發了水溶液側的SPP。

為了實現該器件的高效率制造，作者們先將Fano共振結構批量制備在平面玻璃襯底上，然后再轉移到光纖端平面并通過紫外膠固定（圖2a）。其中，為了保證轉移工藝的質量與成功率，器件與玻璃襯底的界面應具備低黏附特征；同時，該界面還需滿足F-P腔光場與水溶液側SPP之間高效率隧穿的要求。為此，作者們發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納米槽。

圖2：器件加工與封裝。(a) 光學顯微鏡下的轉移過程。(b) 封裝在標準光纖連接件中的器件。

最終，作者們將光纖探針封裝在標準光纖連接件中（圖2b），并對溶液折射率變化和牛血清白蛋白分子物理吸附進行了測試（圖3）。

圖3：牛血清白蛋白吸附測試。子圖：諧振波長隨溶液折射率的變化。

測試結果表明，該工作使光纖端SPR傳感器的噪聲等效折射率檢測限達到10??RIU水平，這比基于其他設計方案的同類器件降低了3個數量級，并已經能夠與商業化棱鏡耦合SPR設備媲美。

| 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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