[论文解读] Enhanced excitation and readout of plasmonic cavity modes in NPoM via SiN waveguides for on-chip SERS

V\'azquez-Lozano, J. Enrique, Baumberg, Jeremy J.+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 24, 2021

Plasmonic and Surface Plasmon Research被引用 10

一句话总结

该论文提出了一种基于氮化硅（SiN）波导的片上SERS平台，用于激发和收集纳米颗粒-镜面（NPoM）结构中的等离子体腔模式。通过将SiN波导的TM导波模式耦合至NPoM腔，实现了在亚纳米间隙处的场强增强超过10⁵，且Raman信号耦合效率高达10%，显著降低了SiN的Raman背景，实现了集成化、高灵敏度的SERS光谱检测。

ABSTRACT

Metallic nanoparticle-on-a-mirror (NPoM) cavities enable extreme field confinement in sub-nm gaps, leading to unrivaled performance for nonlinear processes such as surface-enhanced Raman scattering (SERS). So far, prevailing experimental approaches based on NPoMs have been performed by means of free-space light excitation and collection under oblique incidence, since the fundamental radiatively-coupled NPoM mode does not scatter in the normal direction. Retaining this working principle, here we numerically show that plasmonic cavity modes in NPoM configurations can be efficiently excited in an integrated SERS approach through TM guided modes of silicon nitride (SiN) waveguides. Intensity enhancements beyond 10$^{5}$ can be achieved for gap spacings around 1 nm. So as to reduce unwanted SiN Raman background, the output Stokes signals are transferred to transversely placed waveguides, reaching coupling efficiencies of up to 10%. Geometrical parameters such as the gap thickness as well as the radius and position of the nanoparticle provide full control over the main spectral features, thereby enabling us to engineer and drive the optical response of NPoMs for high-performance SERS in Si-based photonic integrated platforms.

研究动机与目标

• 通过SiN波导实现NPoM结构中等离子体腔模式的高效片上激发与读出，克服自由空间照明的局限性。
• 降低SiN波导产生的Raman背景噪声，避免其在集成平台中掩盖微弱的SERS信号。
• 通过控制间隙尺寸、纳米颗粒半径和位置等几何参数，实现对NPoM光学响应的可调谐性，以优化SERS性能。
• 在紧凑、CMOS兼容的光子集成电路架构中实现高强度场限制与高效信号收集。

提出的方法

• 采用有限元法（FEM）进行数值模拟，以建模矩形截面（650 nm宽，220 nm高）SiN条波导与NPoM结构耦合时的电磁响应。
• 采用T形波导结构：一个输入波导用于激发，两个对称的横向波导用于斯托克斯信号收集，以提高信噪比。
• 在亚纳米间隙处使用点偶极源模拟SERS发射，NPoM腔由SiN波导的TM导波模式激发。
• 引入与输入波导平行的辅助波导，以抑制输入路径中残留的Raman背景。
• 通过参数扫描系统性地改变关键几何参数——间隙厚度（1–5 nm）、纳米颗粒半径（20–60 nm）和横向位置，以优化耦合效率与增强因子。
• 评估性能指标，包括强度增强因子、β因子（收集效率）以及以分贝（dB）为单位的信噪比提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 SiN波导中的TM导波模式能否高效激发NPoM结构中的基模等离子体腔模式，实现片上SERS？
• RQ2 横向波导在多大程度上可有效收集NPoM间隙处的增强斯托克斯信号？其可实现的耦合效率是多少？
• RQ3 SiN波导产生的Raman背景对信号检测有何影响？在集成设计中能否有效抑制？
• RQ4 能否通过调整间隙尺寸、纳米颗粒半径和位置等几何参数，主动调节NPoM腔的光谱响应与增强因子？

主要发现

• 当NPoM腔的间隙尺寸约为1 nm时，通过SiN波导的TM导波模式激发，可实现超过10⁵的强度增强。
• Raman激发的斯托克斯信号耦合至横向波导的效率最高可达10%，由于双路径收集，总信噪比提升约10 dB。
• 通过采用T形波导结构，SiN波导的Raman背景降低了约6 dB，该结构可将大部分信号从输入路径分流。
• β因子（收集效率）可通过调节纳米颗粒半径和间隙厚度在宽范围内调控，特定参数组合下可实现最优性能。
• 系统表现出宽带响应特性，表明性能主要由几何设计决定，而非窄带光谱敏感性。
• 所提出的架构可通过精确设计NPoM几何结构，实现对NPoM主要光谱特征（如峰值波长和增强幅度）的全面调控。