基于半开放Ag/SiO2/Ag腔体中介电柱阵列双Fano共振的反射模式双标记折射率传感器

《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》：Reflection-mode dual-marker refractive-index sensor via dual fano resonances in a dielectric pillar lattice on a semi-open Ag/SiO2/Ag cavity

　　

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  反射模式纳米光子传感器在单条光谱中产生两个可分辨的类法诺凹陷。
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  在研究的仿真中，模式S对分析物具有很强的敏感性，而模式R则作为较弱的内部光谱标记。
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  所提出的架构在不使用独立参考光路的情况下，集成了折射率读出和角度诊断功能。

引言

光学折射率传感器通过将分析物引起的光相位或模态约束变化转化为可测量的光谱位移，支撑着化学分析、环境监测和无标记生物传感等领域。在众多成熟平台中，表面等离子体共振（SPR）传感器拥有成熟的仪器设备和广泛的应用，包括环境监测和生物传感用例，但由于金属损耗，其共振往往较宽，这限制了可达到的品质因数 $Q$，并可能降低基于波长的检测性能 [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。相比之下，介质纳米光子谐振器（包括光子晶体平板和导模共振（GMR）光栅）主要通过将能量存储在低损耗介质中来支撑更尖锐的光谱特征，从而实现高 $Q$ 响应和体感的大优值比 [8], [9], [10], [11]。

一个持续存在的实际挑战是，表观共振位移并非仅由分析物决定。温度漂移、光源漂移、机械失准，特别是自由空间探测中的入射角变化，以及光学堆叠的缓慢变化，均可能引入共模误差。提高鲁棒性的常用策略是差分或自参考传感，即在跟踪一个分析物敏感共振的同时，还跟踪一个经历相同测量环境但与分析物重叠极小的内部光谱标记。在实际操作中，此类内部标记无需对扰动完全不变即可发挥作用；一个对分析物弱敏感但对常见实验扰动响应不同的标记，仍然可以支持更鲁棒的差分出读 [12], [13], [14], [15]。代表性的相关实现包括双模式等离子体传感器、多共振光子晶体传感器，以及被设计为提供传感和类参考光谱通道的混合结构 [12], [13], [14], [15]。与本文提出的反射光谱架构相比，这些示例表明，现有的自参考设计涵盖了不同的光学配置、可观测量和复杂度权衡，而非单一可直接比较的设计类别。仍然具有挑战性的问题在于，如何在紧凑的反射模式架构中，将一个高 $Q$ 传感共振和一个内部标记置于同一条测量光谱之中。

在此，我们利用集成在半开放 ${\mathrm{Ag/SiO}}_2/\mathrm{Ag}$ 腔上的介质柱晶格来应对这一挑战。该混合结构在同一条测量光谱的反射中产生两个光谱分离的共振。模式S被归因于周期性柱晶格的准导布洛赫共振，并被设计在一级瑞利异常附近，使得弱辐射泄漏和强相位色散产生一个窄的分析物敏感特征 [8], [11], [16]。模式R被归因于半开放腔的类法布里–珀罗共振，其场主要集中在 ${\mathrm{SiO}}_2$ 间隔层内部，因此与超覆层仅弱重叠 [17], [18], [19]。由于两个共振都辐射到宽带金属背景上的同一条反射通道，每一个都表现为一个类法诺凹陷，而它们对比鲜明的场重叠则支持了本设计中的差分光谱跟踪 [20], [21], [22], [23], [24], [25]。此外，与腔相关的凹陷对角度具有很强的依赖性，因此在报告的仿真中可作为探测失准的一个有用的内部指标。该器件因此被提出为一种紧凑的双标记反射模式传感器，在同一条测量光谱中将高 $Q$ 折射率读出与内置对准诊断相结合，其中与腔相关的凹陷充当内部光谱标记，而非完全不变的参考共振。

章节摘要

器件概念与数值方法

图1(a)展示了所提出的结构：一个置于半开放 $\mathrm{Ag/SiO2/Ag}$ 堆叠上的方形晶格圆柱形介质柱，晶格周期为 $P$，直径为 $D$，高度为 $h$。该堆叠由一层作为不透明反射镜的200 nm底部Ag薄膜、一层厚度为 $t_s=900$ nm的 ${\mathrm{SiO}}_2$ 间隔层，以及一层部分反射并允许外部耦合的10 nm顶部Ag薄膜组成。除非另有说明，基线气相设计采用 $P=1222$ nm、$D=400$ nm 和 $h=1000$ nm。

全波仿真结果

共振机制与解析描述

所提出器件的反射光谱由宽带瞬态反射与两个光谱局域共振泄漏通道之间的干涉所支配。宽带瞬态反射主要由类半开放金属–绝缘体–金属腔堆叠主导。第一个通道与介质柱晶格的准导布洛赫模式（模式S）相关，第二个通道与 ${\mathrm{Ag/SiO}}_2/\mathrm{Ag}$ 腔的类法布里–珀罗共振相关。在波长范围为

基线光谱与模式归因

图1(b)展示了基线结构的垂直入射反射光谱。在所研究的近红外波段内观测到两个分离良好的共振凹陷：一个位于 ${\lambda }_s\approx 1227.8$ nm 的窄短波长凹陷，以及一个位于 ${\lambda }_r\approx 1398.6$ nm 的较宽长波长凹陷。在同一条反射光谱中出现这两个凹陷是所提出器件的关键工作特征。如第3节所述，该光谱被理解为宽带

结论

我们通过数值模拟验证了一种紧凑的反射模式介质柱/腔结构，该结构在同一条测量光谱中产生两个光谱分离的共振。较短波长的凹陷被归因于在一级瑞利异常附近工作的柱晶格准导布洛赫共振，而较长波长的凹陷被归因于半开放腔的类法布里–珀罗共振。全波FDTD仿真，结合有效腔模型，

CRediT作者贡献声明

Thanh Son Pham：写作–审阅与编辑，写作–初稿撰写，方法论，形式化分析，数据整理。Minh Quy Tran：写作–审阅与编辑，写作–初稿撰写，可视化，方法论，调查研究，形式化分析，数据整理，概念设计。Xuan Bach Nguyen：写作–审阅与编辑，写作–初稿撰写，验证，监督，资源获取，项目管理，方法论，调查研究，资金获取，形式化分析，数据整理，

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Thanh Son Pham|Minh Quy Tran|Xuan Bach Nguyen