Biosensor based on plasmonic Mach-Zehnder interferometer with metallic gratings

Abstract

本文优化了一种基于表面等离激元银纳米链的马赫-曾德干涉式传感结构。该结构由参考臂、传 感臂及纳米线波导构成。纳米线波导是由硅纳米线包裹一定厚度的银来构成。引入两条银纳米链分 别作为马赫-曾德干涉仪的参考臂和传感臂，并研究所设计结构的传输特性，通过降低传输损耗以提 高所设计结构的精确度与灵敏度。相比于两条完全相同的银纳米线作为参考臂和传感臂的情况，在 参考臂和传感臂改为银纳米链后，传输特性有明显提高，单位长度损耗明显降低。这是由于银纳米 链中的单元结构之间的长程/库仑相互作用增强了结构中的电磁场，进而降低了传输损耗。我们将两 条银纳米链的晶格常数设置为不同的情况，我们研究发现，在较宽的硅包银纳米线的宽度与某些占 空比下，含有非对称的银纳米链结构的单位传输损耗小于含有对称的银纳米链结构。由此可以知道， 具有小损耗的银纳米颗粒链可以弥补大损耗的银纳米颗粒链的传输损失。利用这个特点，进一步优 化设计结构，将一侧银纳米链改为纳米线。改变另一侧银纳米链的晶格常数与占空比，我们发现大 多数情况下，这类结构传输特性优于含有两条银纳米链以及含有两条银纳米线的结构。我们的设计 结构可以大幅减小传统的马赫-曾德干涉仪的传输损耗，且在结构的制备过程中容错率高，在实际应 用中有巨大的潜在应用价值。