基于微纳光纤光子晶体-金薄膜的Tamm 态结构设计与应用研究

李春冉，于洋

（五邑大学 应用物理与材料学院，广东 江门 529020）

光学Tamm 态作为一种局域表面态，能够极大增强场分布，具有易被激发、低反射率、阻抗共轭匹配、强局域光场、低损耗等独特优势，能实现高灵敏度的光学检测，可应用于光学器件[1-3]、传感检测[4-5]、激光器等领域.2018 年，Tsurimaki 等[1]提出一种沉积在硅衬底上的 SiO2/Si3N4光子晶体-金属结构，该结构实现了近零反射及阻抗匹配，可用于制备一个完美吸收器.2020 年，ZakyA 等[4]提出一种Ag/空气/（PSi1/PSi2）N/Si 的Tamm 态气体传感系统，实现了对气体折射率微小变化的高灵敏度检测.但上述光子晶体（Photonic crystal，Phc）结构制备工艺复杂，且需要复杂的设备与各检测仪器耦合.因此，实现设备的小型化、集成化及远程传感较为困难.2022 年，Du 等[6]通过在单模光纤端面沉积SiO2和TiO2布拉格反射镜和一层银薄膜来实现Tamm 态，实现了较强的场局域特性.该结构质量轻、抗电磁干扰能力强、稳定性高且易于与通信设备绝热耦合.但是，通过沉积不同材料的反射镜来调谐Tamm 态的激发效率仍然面临着制备工艺复杂、难以实现微型化的困难.

本文提出一种基于微纳光纤光子晶体-金薄膜结构的Tamm 态系统，其中，光子晶体结构通过在一根 2 μm×(0.7×0.7)μm2的微纳光纤波导上刻蚀周期性结构来实现.微纳光纤体积小、倏逝场强，对周围环境的微小变化敏感[7].本文利用时域有限差分方法（Finite Difference Time Domain，FDTD），拟通过调谐光纤端面的表面阻抗来匹配金属的表面阻抗，以实现反射率低、局域场强等特点，并基于此结构设计一种高灵敏度的气体折射率传感系统.

1 微纳光纤光子晶体-金薄膜结构的设计与分析

本文所设计的微纳光纤光子晶体-金薄膜结构如图1-a 所示.微纳光纤光子晶体结构由一根微纳波导与方形空气孔洞组成，光纤波导的折射率设置为1.44，直径0.7 μm，孔洞折射率设置为1，个数为5，x方向的长度设为0.3 μm.光纤层与空气层的厚度L分别设置为160 nm 和192 nm，以满足（其中，λc为中心波长，neff为有效折射率.选择能够使光子晶体结构所提供的反射光谱的带宽较宽、反射率较高，以达到完美的Tamm态激发效果）.在光纤的末端设置一层金薄膜，厚度为0.1μm.光源设置为模式光源，波长0.6～1.0 μm，从光纤端垂直入射到光子晶体-金薄膜结构中.为了提高仿真结果的精确度，每个方向的边界条件都设置为完美匹配层（PML 层）[10].PML 层是一种特殊的吸收边界条件，能有效地吸收电磁波，以最大程度地降低边界反射.另外，在本文所考虑的光谱范围内，所有介质的耗散损失可以忽略不计.与目前沉积所制备的结构相比，该结构体积小、易于与通信系统绝热集成，在远程传感领域有着广泛的应用前景.

图1 基于微纳光纤光子晶体-金薄膜结构的Tamm 态系统

当光波通过两种介质的界面时，光学阻抗决定着光波传输的状态.光学阻抗是一个复数，微纳光纤光子晶体结构表面的光阻抗可以定义为[1,11]：

而金薄膜的光阻抗可以定义为：

其中，Ex和Hy分别表示介质表面的总电场和总磁场.该方法需要大量计算电场与磁场的值，过程较为复杂.而界面上局域场的存在与几何相位有关[12]，因此可以利用反射系数来计算光阻抗，这种计算方法更为简单，即：

微纳光纤光子晶体（Phc）结构得到的反射光谱带宽较宽，如图2-a 中黑色实线所示；在其末端设置一层金薄膜得到的反射光谱如图2-a 中红色实线所示，这种Phc-Au 结构在波长为0.811 08 μm 处的反射率最低，产生了明显的谐振峰，这是因为光纤端面与金属薄膜的界面处出现了共轭匹配.图2-b 比较了谐振波长处z方向的场强，相比于光子晶体结构（虚线）的场强，光子晶体-金薄膜（实线）界面处的电场强度E与磁场强度H出现了明显的局域化，是原来的40 倍，是原来的300 倍，证明了光被局限在了界面处.同时，图中光子晶体（上）及光子晶体-金薄膜结构（下）的电场分布对比，也证明了场局域化发生在光子晶体与金薄膜结构的界面处，这种场局域化可以增强光与物质的相互作用.该研究结果对于深入理解Tamm 态的激发机制，开发新型微纳光纤光子晶体器件具有重要意义，可为该领域的研究提供重要的理论支持.

图2 微纳光纤光子晶体及光子晶体-金薄膜结构的反射谱与场强

2 微纳光纤缺陷层对Tamm 态激发的影响

为了实现更强的Tamm 态激发效率，通过改变最后一层光纤层的厚度引入缺陷层来协调表面光阻抗.不同的缺陷层厚度d对应的 Tamm 态激发效率不同，如图3-a 所示.当缺陷层厚度分别为96.86 nm、157.93 nm 和219 nm 时，谐振模式发生改变，且随着厚度的增加，反射光谱的谐振峰发生了红移.这是因为不同的厚度会改变光子晶体结构表面的光阻抗，从而导致谐振峰产生移动.为了进一步探究不同缺陷层厚度对Tamm 态激发效果的影响，利用FDTD 方法计算了3 种不同厚度的x-z平面的电场强度，如图3-b 所示.当d=157.93 nm 时，谐振最强，反射谱接近0 反射，Tamm 态的激发效果最佳，电场局域的能力最强.这是因为该状态下光纤端面的光阻抗与金属表面的光阻抗达到了完美的共轭匹配，从而增强了Tamm 态的激发效率.当d=96.86 nm 和d=219 nm时，谐振深度较小，场局域效果不佳.这一结果揭示：引入合适的缺陷层厚度，能够实现完美共轭匹配.该研究结果为微纳光纤光子晶体在Tamm 态激发领域的应用提供了重要的理论支持.

图3 微纳光纤缺陷层对Tamm态激发的影响

3 传感应用研究

气体传感在环境监测、化工生产、公共安全和医疗诊断等方面[4,13-14]都有着重要的研究价值.例如，对二氧化碳、一氧化二氮等气体浓度的监测可以用作环境污染检测.微纳光纤光子晶体-金薄膜结构与介质的接触时间较长、稳定性好，不会受到被测介质的影响.基于缺陷层厚度为157.93 nm 的微纳光纤光子晶体-金薄膜结构提出一种气体传感系统，其结构如图4-a 所示.在该系统中，气体样品从入口注入，样品可以在容器中与传感器充分接触.通过更改背景折射率与空气孔的折射率来模拟气体传感系统内的环境变化，通过仿真计算，当折射率从1.002 变化到1.008 时，其对应的反射光谱出现红移，如图4-b 所示.其线性灵敏度可以表示为峰移与折射率变化的比值，即：Sλ=dλ/dn=288.5 nm/RIU，如图4-c 所示.

图4 气体传感系统

为了提高气体的传感灵敏度，我们对上述传感系统进行了优化：将光纤缺陷层去掉，使微纳光纤光子晶体与金薄膜之间形成一个气体检测的腔室，腔室结构如图5-a 中插图所示.该腔室以被测气体作为缺陷层，可以增强光与气体之间的相互作用，提高传感灵敏度.从图5-b 中可以看出：随着周围环境折射率的增加，Tamm 态的谐振峰产生了非常明显的红移.与未优化的结构相比，峰移灵敏度Sλ提升到了579.3 nm/RIU，如图5-c 所示.这是因为随着气体充满缺陷层，传感器与被测气体的接触面积增加，光场与气体的相互作用增强，从而提高了气体检测的灵敏度.该系统提供了一种小体积、高灵敏度检测环境微小变化的应用潜力，可在环境监测、医学成像和治疗等领域应用.

图5 优化后的气体传感系统

4 结论

本文提出一种小体积的微纳光纤光子晶体-金薄膜结构的光学Tamm 态集成器件.通过引入缺陷态使光纤端面与金属表面的光阻抗共轭匹配，实现了较强的场增强与较低的反射率.该结构方便与光纤通信网络、检测仪器等设备绝热集成，具有灵敏度高、易集成及微型化的特点.基于以上优异特性，本文设计了一个气体折射率传感系统，通过反射光谱中谐振波长的移动来监测环境变化，最终实现了579.3 nm/RIU 的高灵敏度，为实现高灵敏度的气体检测提供了一种优异的方法.该研究在光学检测和远程传感技术等领域有着重要的应用价值和广阔的发展前景.