[發明專利]短程表面等離子體波導與介質波導混合耦合陣列式結構

有效

• 申請號: 201210009165.6
• 申請日: 2012-01-12
• 公開（公告）號: CN102608699A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 劉仿;樊博宇;黃翊東;張巍;馮雪;崔開宇
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G02B6/122
• 分類號: G02B6/122
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 史雙元

技術領域

本發明涉及光電子技術領域，具體涉及短程表面等離子體波導與介質波導混合耦合陣列式結構。

背景技術

表面等離子體波(Surface?plasmon?polarition，SPP)是一種沿金屬和介質界面傳播的電磁場。如圖1所示，1為金屬(或金屬和介質的混合物)，2為金屬周圍的介質，3為一個界面處的表面等離子體波。

當金屬膜較薄時，上下表面等離子體波將發生耦合，生成兩種新的表面等離子體波模式，見圖2所示。其中一種模式為反對稱模式，如圖2中5所示，其模場較一般SPP波更趨附于金屬，傳播損耗較大，只能沿金屬薄膜傳播很短一段距離，被稱為短程表面等離子體波(short?range?surface?plasmon?polarity，SRSPP)。當金屬波導和介質波導距離足夠近，在一定的條件下，介質波導模式將與SRSPP發生耦合。

由于SPP的場能量集中在金屬和介質界面的附近，這使得在金屬表面的場很強，對于表面的形態，特別是折射率的變化非常敏感，在生化傳感器領域有廣泛的應用前景。而短程SPP波較一般的SPP波，波場更加高度趨膚于金屬表面，其模式特性對金屬薄膜周圍超薄范圍內的介質折射率變化非常敏感，當金屬膜上方超薄層物質的折射率發生變化時(大多數生物反應屬于此類超薄層反應)，短程表面等離子體波模式與介質波導模式的耦合將發生明顯變化，從而引起介質波導輸出功率的劇烈變化。這為實現超薄層物質折射率的高精度檢測提供了新的途徑。

傳統的棱鏡型表面等離子體波生化傳感器體積大、調節困難，而且對超薄層物質探測靈敏度低，穩定性差，成本高，嚴重限制了其推廣應用。而傳統的波導型表面等離子體波生化傳感器，也具有可傳感范圍較窄等問題。

發明內容

本發明的目的是提供一種短程表面等離子體波導與介質波導混合耦合陣列式結構，以實現超薄層介質折射率的可調傳感范圍實時檢測，在保證高靈敏度、穩定性的同時，解決了傳統的波導型表面等離子體波折射率檢測方法傳感范圍小的問題。所述耦合結構包括：介質襯底層，以及位于介質襯底上的至少兩個耦合結構。所述耦合結構包括：介質波導層，所述介質波導層位于所述介質襯底層上；以及短程表面等離子體波導層，所述短程表面等離子體波導層位于所述介質波導層上。其中，至少一個所述耦合結構的短程表面等離子體波導層與另一個所述耦合結構的短程表面等離子體波導層具有不同厚度。

其中，至少一個所述耦合結構的介質波導層與另一個所述耦合結構的介質波導層具有不同寬度。

其中，至少兩個所述耦合結構具有相同厚度的短程表面等離子波導層和不同寬度的介質波導層。

其中，至少一個所述耦合結構的短程表面等離子波導層與另一個所述耦合結構的短程表面等離子波導層具有相同厚度和不同長度。

其中，至少兩個所述耦合結構的介質波導層具有同一輸入端口和多個輸出端口。進一步地，所述多個輸出端口具有不同寬度。

其中，至少一個所述耦合結構的短程表面等離子波導層與另一個所述耦合結構的短程表面等離子波導層具有相同厚度和不同長度。

其中，至少兩個所述耦合結構的短程表面等離子體波導層彼此相連接。

其中，所述耦合結構還包括位于所述短程表面等離子體波導層之上的介質覆蓋層。進一步地，至少兩個所述耦合結構的介質覆蓋層彼此相連接。

其中，所述耦合結構還包括位于所述介質波導層之上、所述短程表面等離子體波導層之下的耦合匹配層。

其中，所述介質波導層的折射率大于所述襯底介質層的折射率，所述耦合匹配層的折射率小于所述介質波導層的折射率。

其中，所述介質波導層的折射率的選擇使得該介質波導TM偏振態的基模的等效折射率與該短程表面等離子體波的等效折射率相等。

其中，所述介質波導層的折射率為1.2-3.8，所述介質波導層的厚度為10nm-5000nm，所述介質波導層寬度為2μm-20μm。

其中，所述耦合匹配層的厚度為0.01μm-10μm，所述耦合匹配層的折射率為1.2-3.8。

其中，所述短程表面等離子體波導層為金屬層，例如，為金、銀、鋁、銅、鐵、鉻、鎳、鈦中的一種或者幾種組成的合金。

其中，所述短程表面等離子體波導層的厚度為10nm-100nm，所述短程表面等離子體波導層的長度為50μm-200μm。具有相同厚度的短程表面等離子體波導層所對應的介質波導可具有不同的寬度。

其中，所述介質覆蓋層的折射率為1.0-3.8。