Design of nanosized plasmonic structure for biosensing applications
No Thumbnail Available
Date
2024
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
University of Oum El Bouaghi
Abstract
Surface Plasmon polaritons (SPPs) are surface electromagnetic waves propagating along a metal-dielectric interface and have great potential applications in the realization of highly integrated optical circuits due to their capability to overcome the diffraction limit of light. Nano-plasmonic waveguides, supporting the propagation of SPPs and manipulating light on a sub-wavelength scale, can be regarded as an ideal optical element in an integrated plasmonic device. There are various SPPs-based waveguides, for instance, strip waveguides, semiconductor-insulator-semiconductor (SIS) waveguides, metal-insulator-metal (MIM) waveguides, and trench waveguides. Among these, the MIM waveguide has better properties, for instance, stronger confinement of light, shorter propagation length, smaller mode size, and low fabrication cost. To date a number of optical devices of the MIM waveguide structure have been extensively studied, for example, nano-sensors, demultiplexers and filters.
The introduction of cavities with defects in the conventional MIM waveguide ensured a longer interaction between the SPP modes produced and the molecules under test presented in the active region of the sensor. In all MIM structures, the plasmon resonator is the critical part that influences the detection and transmission characteristics of the devices.
In this context, this thesis aims the study and design of plasmonic nano-sensors based on two-dimensional metal-insulator-metal (MIM) waveguides made of silver for metal, for refractive index measurements (RI), for integrated optics application. The goal is to optimize the sensitivity and the transmission of these nano-sensors according to the physical and geometric parameters. To do this, we focus in our study on three concepts of RI nano-sensors with MIM plasmonic structures. The first structure concerns a MIM waveguide coupled by a hexagonal shaped ring resonator for a near infrared refractive index sensor. In this structure, the maximum linear sensitivity is S = 2220 nm / RIU and S = 3010 nm / RIU for mode 1 and mode 2 respectively. In the second structure, we propose a MIM waveguide coupled to intersected double cavity ring resonators for a refractive index sensor. In this structure, and after optimization of its structural parameters, the maximum linear sensitivity obtained is S = 4508 nm / RIU. The third structure concerns a simple design of mid infrared high sensitive metal-insulator-metal plasmonic sensor. In this structure, and after optimization of its structural parameters, the maximum linear sensitivity obtained is S = 5155 nm / RIU. In the three concepts of RI nano-sensors; the simplicity, the sensitivity of detection and the level of the transmission spectrum which can be easily controlled by manipulating the structural parameters; are the main advantages of these structures.
Les polaritons de plasmon de surface (SPP) sont des ondes électromagnétiques de surface se propageant le long d'une interface métal-diélectrique et ont un grand potentiel d'application dans la réalisation de circuits optiques à très haute intégration en raison de leur capacité à surmonter la limite de diffraction de la lumière. Les guides d'ondes nano-plasmoniques, favorisant la propagation des SPP et manipulant la lumière à une échelle de longueur d'onde inférieure, peuvent être considérés comme un élément optique idéal dans un dispositif plasmonique intégré. Il existe différents guides d'ondes basés sur les SPP, par exemple des guides d'ondes semi-conducteur-isolant-semi-conducteur (SIS), guides d'onde isolant-métal-isolant (IMI) et guides d'onde métal-isolant-métal (MIM). Parmi ceux-ci, le guide d'onde MIM a de meilleures propriétés, par exemple, confinement plus fort de la lumière, longueur de propagation plus courte, taille de mode plus petite, et facilité et faible coût de fabrication. ? ce jour, un certain nombre de dispositifs optiques de la structure de guide d'ondes MIM ont été largement étudiés, par exemple, les nano-capteurs, les démultiplexeurs et les filtres.
L'introduction de cavités présentant des défauts dans le guide d'ondes MIM conventionnel a garanti une interaction plus longue entre les modes SPP produits et les molécules sous test présentées dans la région active du capteur. Dans toutes les structures MIM, le résonateur plasmonique est la partie critique qui influence les caractéristiques de détection et la transmission des dispositifs.
Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier et à concevoir des nano-capteurs plasmoniques à base de guides d'onde métal-isolant-métal (MIM) bidimensionnels, constitués d'argent pour le métal, pour les mesures d'indice de réfraction (RI) pour des applications en optique intégrée. L'objectif est d'optimiser la sensibilité et la transmission de ces nano-capteurs en fonction des paramètres physiques et géométriques. Pour cela, nous nous sommes basés dans notre étude sur trois concepts de nano-capteurs RI aux structures plasmoniques MIM. La première structure proposée est un guide d'ondes MIM couplé à un résonateur annulaire de forme hexagonale pour un capteur d'indice de réfraction proche infrarouge. Dans cette structure, la sensibilité linéaire maximale est S = 2220 nm / RIU et S = 3010 nm / RIU, pour le mode 2 et le mode 1 respectivement. La deuxième structure concerne un guide d'ondes MIM couplé à des résonateurs annulaires à double cavité intersectée pour un capteur d'indice de réfraction. Dans cette structure, et après optimisation de ces paramètres structurels, la sensibilité linéaire maximale obtenue est S = 4508 nm / RIU. La troisième structure concerne un simple capteur d'indice de réfraction plasmonique infrarouge moyen à haute sensibilité. Dans cette structure, et après optimisation de ces paramètres structurels, la sensibilité linéaire maximale obtenue est S = 5155 nm / RIU. Dans les trois concepts de nano-capteurs RI proposé ; la simplicité, la sensibilité de détection et le niveau de spectre de transmission qui peut être facilement contrôlé en manipulant les paramètres structurels, sont les principaux avantages de ces structures.
بولاريتونالبلازمون السطحي (SPP) عبارة عن موجات كهرومغناطيسية سطحية تنتشر على طول واجهة معدنية عازلة ولها تطبيقات محتملة كبيرة في صنع دوائر ضوئية متكاملة للغاية نظرًا لقدرتها على التغلب على محدودية انحراف الضوء. يمكن اعتبار أدلة الموجات النانوية ، التي تعزز انتشار SPP وتعالج الضوء على مقياس أطوال موجية أقل ، عنصرًا بصريًا مثاليًا في جهاز بلازمونيك مدمج.هناك أدلة موجية مختلفة تعتمد على SPP ، على سبيل المثال ، أدلة موجية لأشباه الموصلات - عازل - أشباه موصلات (SIS) ، أدلة موجية عازل – معدن - عازل (IMI) ، وأدلة موجية معدن- عازل - معدن (MIM). من بينها ، يتميز الدليل الموجي MIM بخصائص أفضل ، على سبيل المثال ، حبس أقوى للضوء ، طول انتشار أقصر ، حجم وضع أصغر وتكلفة تصنيع سهلة ومنخفضة. حتى الآن ، تم فحص عدد من الأجهزة البصرية لهيكل الدليل الموجي MIM على نطاق واسع ، على سبيل المثال ، مستشعرات النانو ، وأجهزة إزالة تعدد الإرسال والمرشحات.
كفل إدخال التجاويف التي بها عيوب في الدليل الموجي MIM تفاعلًا أطول بين أوضاع SPP المنتجة والجزيئات قيد الاختبار المعروضة في المنطقة النشطة من المستشعر. في جميع هياكل MIM ، يعتبر مرنان البلازمونيك هو الجزء الحاسم الذي يؤثر على خصائص الكشف والإرسال للأجهزة.
في هذا السياق ، تهدف هذه الأطروحة إلى دراسة وتصميم مستشعرات النانو البلازمية بناءً على أدلة موجية ثنائية الأبعاد (MIM) المكونة من الفضة للمعدن لقياسات معامل الانكسار (RI) للتطبيق في البصريات المتكاملة. الهدف هو تحسين حساسية هذه المستشعرات النانوية ونقلها وفقًا للمعايير الفيزيائية والهندسية. لهذا ، استندنا في دراستنا إلى ثلاثة مفاهيم لمستشعرات النانو RI مع هياكل البلازمونيك.يقدم الهيكل الأول؛ دليل موجي MIM مقترن بمرنان حلقة سداسية الشكل لمستشعر معامل الانكسار القريب من الأشعة تحت الحمراء. في هذا الهيكل، يكون الحد الأقصى للحساسية الخطية S = 3010 nm / RIU2220 nm / RIU=Sللوضع 2 والوضع 1 على التوالي. يقدم الهيكل الثاني ؛ دليل موجي MIM مقترن بمرنان حلقة تجويف مزدوجة متقاطعة لجهاز استشعار معامل الانكسار. في هذا الهيكل، وبعد تحسين المعلمات الهيكلية، يكون الحد الأقصى للحساسية الخطية التي تم الحصول عليها هو nm / RIUS = 4508. يقترح الهيكل الثالث تصميم بسيط لمستشعرMIM بلازمونيك عالي الحساسية للأشعة تحت الحمراء المتوسطة. في هذا الهيكل، وبعد تحسين المعلمات الهيكلية، يكون الحد الأقصى للحساسية الخطية التي تم الحصول عليها هو S= 5155 nm/RIU. في المفاهيم الثلاثة لمستشعرات النانو RI ؛ بساطة وحساسية الكشف ومستوى طيف الإرسال الذي يمكن التحكم فيه بسهولة عن طريق معالجة المعلمات الهيكلية ؛ هي المزايا الرئيسية لهذه الهياكل.
Description
Keywords
Surface plasmonpolariton; Metal; Refractive index sensor; insulator