[論文レビュー] Enhanced Evanescent Field Spectroscopy at Waveguide Surfaces using High Index Nano and Near-Nano Layers

John Canning, Whayne Padden+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2010

Photonic and Optical Devices参考文献 29被引用数 13

ひとこと要約

本論文では、波ガイド表面に高屈折率ナノおよびニアナノ層（例：TiO2）を堆積させることで、インピーダンスマッチングとウィスパリングギャラリーモード励起によって、エバネッセント場分光法を向上させる手法を提案している。実験的およびシミュレーション的結果は、ポルフィリンをプローブとして用いた構造的光ファイバーセンサにおいて、従来の高感度と低損失のトレードオフを克服する顕著な感度向上を示している。

ABSTRACT

We propose and demonstrate, through simulation and experiment, how the interaction of an optical field within a waveguide designed for chemical sensing and, more generally, evanescent field spectroscopy can be enhanced substantially by strategic deposition of high index surface layers. These layers draw out the optical field in the vicinity of probing and take advantage of field localisation through optical impedance matching. Localisation of the evanescent field to the inner layer in turn is accompanied by whispering gallery modes within the channels of a structured cylindrical waveguide, further enhancing sensitivity. A novel demonstration based on self-assembled layers made up of TiO2 within a structured optical fibre is demonstrated, using a simple porphyrin as the spectroscopic probe. This technique offers optimisation of the limitations imposed on practical waveguide sensors that are highly sensitive but nearly always at the expense of low loss. The principles have potential ramifications for nanophotonics more generally and these are discussed.

研究の動機と目的

• 波ガイドベースのエバネッセント場センサにおける高感度と低伝搬損失の根本的トレードオフを克服すること。
• 高屈折率表面層が波ガイド表面近傍での光場局在をどのように向上させるかを調査すること。
• 自己集合TiO2ナノ構造を用いた構造的光ファイバーにおいて、実用的でスケーラブルな方法でセンサ性能を向上させることの実証。
• 円筒形波ガイド幾何構造におけるウィスパリングギャラリーモードが、光場センシング相互作用をどのように強化するかを明らかにすること。
• 高感度・低損失の光学プロービングを必要とするナノフォトニクスデバイスに適用可能な設計フレームワークの提供。

提案手法

• 著者らは、自己集合技術を用いて内面に高屈折率TiO2層を堆積させた構造的円筒形波ガイドを用いる。
• 波ガイド芯と高屈折率表面層との間のインピーダンスマッチングにより、エバネッセント場の感度領域への浸透を向上させ、光場強度を増幅する。
• 有限差分時間領域（FDTD）シミュレーションを用いて、波ガイド構造内の電磁界分布およびモード閉じ込めをモデル化する。
• 吸収変化と場強度増幅を測定するために、ポルフィリン染料を分光的プローブとして用いて実験的妥当性を検証する。
• 波ガイドチャネル内でウィスパリングギャラリーモードが励起され、さらなるエバネッセント場の局在化とセンシング信号の増幅が達成される。
• ナノスケールでの屈折率対比と層厚さの最適化により、高感度と低伝搬損失の両立を実現する設計がなされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 伝搬損失を増加させることなく、波ガイドにおけるエバネッセント場感度をどのように向上させることができるか？
• RQ2 高屈折率ナノ層が波ガイド表面における場の局在をどの程度向上させるか？
• RQ3 構造的円筒形波ガイドにおける光学的相互作用の強化に、ウィスパリングギャラリーモードが果たす役割は何か？
• RQ4 自己集合TiO2層は、光ファイバーにおける高感度分光法のための有効なプラットフォームとして機能するか？
• RQ5 場強度増幅とセンサ性能を最大化するための最適な層厚さと屈折率は何か？

主な発見

• 高屈折率TiO2層の堆積により、波ガイド表面近傍のエバネッセント場強度が顕著に増大し、アナリットとの相互作用が強化される。
• 波ガイド芯と高屈折率表面層とのインピーダンスマッチングにより、場の局在が向上し、基板への場の漏れが低減される。
• 波ガイドチャネル内でウィスパリングギャラリーモードが励起され、さらに光場が局在化し、センシング信号が増幅される。
• ポルフィリンをプローブとして用いた実験結果は、分光応答の明確な増加を示しており、強化された場センシング能力が確認された。
• シミュレーションにより、特定のTiO2層厚さで最適な場強度増幅が達成され、モード閉じ込めと伝搬損失の両立が最適化されることを確認した。
• ナノスケールでの設計によって感度と損失を分離可能であるため、本手法は高感度・低損失波ガイドセンサへの実現可能性を提供する。