上海微系统所硅光课题组实现片上亚纳米量级的超灵敏位移传感

  
      近日,上海微系统所信息功能与材料国家重点实验室硅光子课题组武爱民研究员团队、深圳大学袁小聪、杜路平教授团队及伦敦国王学院Anatoly V. Zayats教授课题组合作,在硅衬底上提出了基于布洛赫表面光场的非对称传输特性实现超灵敏位移测量的方法,并实现了亚纳米级的位移传感,研究成果发表在20215月出版的英国皇家化学学会期刊《Nanoscale》上(nanoscale 25, 10955-11302 (2021),并被选为当期封面文章。

光学手段为精密位移测量提供了非接触的方案,可实现高灵敏度、高分辨率的位移检测,在纳米尺度位移传感、半导体技术及量子技术等领域具有重要应用。目前广泛应用的激光干涉法具有非接触和精度高的特点,然而对激光波长的稳定性要求非常高,且严重依赖光学器件和光学路径,难以满足光学系统集成化和轻量化的发展需求。

布洛赫表面波产生于多层介质膜与周围环境的界面处,具有低损耗,宽色散域,高定向性和CMOS兼容等优势。该研究基于硅基衬底,利用不对称狭缝形成纳米天线调控布洛赫表面波,实现了布洛赫表面光场的非对称传输,布洛赫表面波的不对称光场对纳米天线和入射高斯光场的相对位置具有超灵敏的依赖作用,通过对其远场表征就可以获得精确到亚纳米量级灵敏度的位移传感。该工作利用纳米尺度的狭缝实现了布洛赫表面波的非对称传输,通过连续改变光与狭缝的相对位置,在实验上实现了对于位移的精确测量,灵敏度可达0.12 nm-1,分辨率和量程达到8 nm300 nm。这些研究为纳米测量及超分辨显微提供了新的物理原理,也为超灵敏的位移测量提供了精巧的微型化方案。


1:  Nanoscale期刊封面图

2:  结构示意图和测量结果

论文第一作者为上海微系统所副研究员王茹雪博士,共同第一作者为深圳大学博士后雷欣瑞,这也是王茹雪博士在利用介质的布洛赫波原理开展硅光传感研究的系列工作之一。本文通讯作者为上海微系统所武爱民研究员和深圳大学杜路平教授。该研究得到了国家自然科学基金青年基金(61905269, 61875174, 62005305),中科院青年青促会(2021232)等项目的支持。

      论文链接:Directional imbalance of Bloch surface waves for ultrasensitive displacement metrology - Nanoscale (RSC Publishing)