[发明专利]短程表面等离子体波与介质导波耦合结构及在传感上的应用

权利要求书

1.一种短程表面等离子体波与普通介质导波混合耦合结构，其 特征在于，所述耦合结构包括：

介质衬底层；位于该介质衬底层上的介质波导层，其折射率大于 介质衬底层的折射率；位于该介质波导层上的耦合匹配层，其折射率 小于介质波导层的折射率；以及形成于该耦合匹配层上的、用于传导 短程表面等离子体波的短程表面等离子体波导部分，其包括由下往上 依次形成的介质缓冲层、金属层和介质覆盖层；所述金属层的厚度介 于10nm-100nm，使得金属层上下表面的表面等离子波发生耦合，生 成短程表面等离子体波；其中，该介质波导层的折射率的选择使得该 介质波导TM偏振态的基模的等效折射率与该短程表面等离子体波的 等效折射率相等；所述介质波导TM偏振态模式与短程表面等离子体 波发生耦合，所述耦合长度为10μm-2000μm，所述耦合匹配层和所述 介质缓冲层的总厚度大于使介质波导与短程表面等离子体波耦合发 生截止的临界厚度。

2.如权利要求1所述的短程表面等离子体波与普通介质导波混合 耦合结构，其特征在于，所述金属层为金、银、铝、铜、铁、铬、镍、 钛中的一种或者几种组成的合金。

3.如权利要求1所述的短程表面等离子体波与普通介质导波混 合耦合结构，其特征在于，所述介质波导层的折射率为1.2-3.8，厚度 为10nm-5000nm；所述耦合匹配层的厚度为0.01μm-10μm，折射率为 1.2-3.8；所述介质缓冲层的厚度为10nm-5000nm，折射率为1.0-3.8； 所述介质覆盖层的折射率为1.0-3.8。

4.应用如权利要求1-3任一项所述混合耦合结构的混合起偏器， 其特征在于，当TM、TE偏振态混合输入光从该介质波导层端面射 入时，TM波与短程表面等离子体波发生能量耦合而衰减，输出波为 TE偏振波。

5.应用如权利要求1-3任一项所述混合耦合结构的TM偏振调 制器，其特征在于，所述介质覆盖层采用电光介质材料，其上覆盖金 膜组成的电极，在电极和短程表面等离子体波导部分中的金属层间加 调制电压，进而对介质波导的功率输出进行调制以实现TM偏振光的 调制。

6.应用如权利要求1-3任一项所述混合耦合结构的超薄层物质 传感器，其特征在于，所述介质覆盖层为被探测层，其厚度薄至使用 波长的1/15至500微米，当介质覆盖层折射率发生变化时，介质波 导TM模式和短程表面等离子体波的耦合效率发生改变，通过测定介 质波导输出功率的变化来检测所述介质覆盖层折射率的变化。

7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，介质覆盖层折射 率的微小变化包括由生物反应或是物理、化学作用引起的折射率微小 变化。

8.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，通过调整所述介 质缓冲层折射率和厚度来调节所能探测的该介质覆盖层的折射率范 围。