近日，我室本科生韩帅、硕士赵宏森（共同第一作者）、邹秋顺副教授和沈祥研究员，提出了一种基于模分复用（Mode-Division Multiplexing）的等离激元–光子混合谐振器（PPHR），通过聚乙烯醇（PVA）导模共振与钯–金（Pd–Au）局域表面等离激元共振的协同作用，实现了氢气浓度与环境湿度的低串扰双参数光学检测。数值模拟结果表明，该器件的最高湿度灵敏度达到0.368 nm/%RH，氢气灵敏度达到1.381 nm/%H₂，为集成化多参数传感提供了新思路。相关研究成果以“Mode-division multiplexing in a hybrid plasmonic-photonic resonator for low-crosstalk dual-species sensing”为题发表于光学期刊Optics Letters (IF=3.3）。

       链接：https://doi.org/10.1364/OL.605996

研究背景

       氢气与湿度的实时监测在氢能安全、半导体制造及工业环境监测等领域具有重要意义。然而，传统双参数检测通常依赖多个独立传感器，存在系统集成复杂、器件尺寸较大及交叉干扰等问题。近年来，介质导模共振与表面等离激元共振凭借高灵敏度及强局域光场特性受到广泛关注，但如何在单一器件中实现不同参数的独立响应，仍是多功能集成光学传感面临的重要挑战。

研究内容

1. 模分复用双参数检测：实现不同共振模式的独立调控

       本研究设计了一种由SiO₂衬底、PVA导模谐振结构及Pd–Au复合光栅构成的混合谐振器。FDTD仿真表明，该结构在481 nm、548 nm及923 nm附近分别支持D1、D2和D3三个共振模式。其中，D1模式主要来源于PVA导模共振，通过材料吸湿膨胀及折射率变化实现湿度检测；D3模式主要来源于Pd–Au局域表面等离激元共振，通过Pd吸氢引起的光学常数变化实现氢气检测。两种模式的差异化响应为低串扰双参数传感提供了基础。

图1：等离激元–光子混合谐振器的结构设计及氢气–湿度双参数传感机制

2. 光子与等离激元协同优化：实现高性能共振调控

       通过系统优化PVA波导厚度、光栅尺寸及Pd–Au复合光栅参数，研究团队实现了不同共振模式的有效调控。电场分布表明，D1模式主要局域于PVA介质区域，而D3模式具有显著的金属局域表面等离激元特征。两个工作模式之间约442 nm的光谱间隔，有利于独立提取湿度与氢气响应信号，为降低参数间的交叉干扰提供了结构基础。

图2：PVA导模谐振结构参数优化及D1模式电场分布

3. 高灵敏、低串扰双参数传感：实现湿度与氢气响应的有效区分

       仿真结果表明，在10%–50%和55%–85%相对湿度范围内，D1模式分别实现0.105 nm/%RH和0.368 nm/%RH的湿度灵敏度，并随湿度增加发生规律性红移。与此同时，D3模式在0.46%–5.79%氢气浓度范围内呈现明显蓝移，氢气检测灵敏度达到1.381 nm/%H₂。通过D1湿度通道辅助分段校准，低湿度与高湿度区间的残余串扰分别降低至约-43.48 dB和-40.23 dB，体现了该结构在低串扰双参数检测方面的潜力。

图3：不同湿度条件下D1模式的光谱响应及灵敏度拟合。

图4：不同氢气浓度下D3模式的光谱响应及灵敏度拟合。

总结与展望

       本研究通过将PVA介质导模共振与Pd–Au局域表面等离激元共振相结合，提出了一种基于模分复用的低串扰双参数光学传感策略。该设计利用不同共振模式的独立调控与光谱分离特性，实现了氢气和湿度的高灵敏响应，并通过分段校准有效降低交叉干扰。该成果为紧凑型、多功能集成光学传感器的设计提供了新思路。未来，通过进一步开展器件制备、实验验证及环境稳定性研究，有望推动其在氢能安全监测、半导体制造和工业环境监测等领域的应用。