[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

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种短程表面等离子体波 与普通介质导波混合耦合结构。

背景技术

表面等离子体波(Surface plasmon polarition，SPP)是一种沿金 属和介质界面传播的电磁场。如图1所示，1为金属(或金属和介质的 混合物)，2为金属周围的介质，3为一个界面处的表面等离子体波， 当金属足够薄时上下表面SPP发生耦合，形成一对称模式即长程表面 等离子体波4，或者反对称模式即短程表面等离子体波5。

SPP是一种表面波，它的场能量集中在金属和介质界面的附近， 在介质中，其电磁场的振幅随着离开界面的距离呈指数衰减。当金属 膜较薄时，上下表面等离子体波将发生耦合，生成两种新的表面等离 子体波模式，见图2所示。其中一种模式为对称模式，其模场大部分 分布在金属以外的介质中，传播损耗比较小，可以沿金属薄膜传播较 长一段距离，这种模式被称为长程表面等离子体波(long range surface  plasmon polariton，LRSPP)。另外一种为反对称模式，更趋附于金属， 传播损耗较大，只能沿金属薄膜传播很短一段距离，被称为短程表面 等离子体波(short range surface plasmon polarity，SRSPP)。当金属导 波和介质导波距离足够近，在一定的条件下，普通介质波导模式将与 SPP发生耦合。由于SRSPP较SPP及LRSPP模式具有高度趋附于金属的 特点，这种SRSPP与介质波导混合耦合的新型耦合现象可以使器件的 耦合长度更短、尺寸更小，将在高度集成光子器件、光通信方面有广 泛的应用前景。

此外，SPP的场能量集中在金属和介质界面的附近，这使得在金 属表面的场很强，对于表面的形态，特别是折射率的变化非常敏感， 在生化传感器领域有广泛的应用前景。而短程SPP波较一般的SPP波， 波场更加高度地趋肤于金属表面，其模式特性对金属薄膜周围超薄范 围内的介质折射率变化非常敏感，当金属膜上方超薄层物质的折射率 发生变化时(大多数生物反应属于此类超薄层反应)，短程表面等离 子体波模式与普通介质波导模式的耦合将发生明显变化，从而引起介 质波导输出功率的剧烈变化。这为实现超薄层物质折射率的高精度检 测提供了新的途径。

传统的表面等离子体波生化传感器需要棱镜、转台等分离的元 件，不仅体积大、调节困难，而且对超薄层物质探测灵敏度低，稳定 性差，成本高，严重限制了其推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种短程表面等离子体波与普通介质波混 合耦合的结构，以实现表面等离子体波基器件与介质基器件的高度混 合集成，实现多种可控的光电集成器件。

本发明的另一目的在于提供一种高度集成短程表面等离子体波 混合耦合器，其利用短程表面等离子体波与普通介质波导TM波的高 效耦合，可实现两种波的相互转换。

本发明的又一目的在于提供一种高度集成短程表面等离子体波 混合起偏器，基于短程表面等离子体波的高损耗及超短的混合耦合长 度，达到在极短的传播距离内消除TM波，输出TE偏振波的目的。

本发明的再一目的在于提供一种高度集成短程表面等离子体波 混合耦合传感器，以实现超薄层介质折射率的高灵敏度实时检测，解 决了传统的表面等离子体波折射率检测方法的体积大、所需元器件 多、调节困难、稳定性差、对超薄层物质探测灵敏度低等问题。

为了达到上述发明目的，本发明提供了一种短程表面等离子体波 与普通介质导波混合耦合结构，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；位于该介质导 波层上的耦合匹配层；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。

其中，所述介质波导层的折射率大于所述衬底介质层的折射率， 所述耦合匹配层的折射率小于所述介质波导层的折射率。

其中，所述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。

其中，所述介质波导层的折射率为1.2-3.8，所述介质波导层的厚 度为10nm-5000nm。

其中，所述耦合匹配层的厚度为0.01μm-10μm，所述耦合匹配层 的折射率为1.2-3.8。