[发明专利]长程表面等离子体波与介质导波耦合结构及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及集成光电子技术领域，具体涉及一种长程表面等离子体波与介质导波耦合结构及基于该结构的折射率传感器、TM偏振调制器。

背景技术

表面等离子体波(Surface plasmon polariton，SPP)是一种沿金属和介质界面传播的电磁场。如图1所示，它的场能量集中在金属(或金属和介质的混合物)1和介质界面2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3将发生耦合，生成两种新的表面等离子体波模式。如图2所示，其中一种模式的模场大部分分布在金属以外的介质2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4(long range surface plasmon polariton，LRSPP)；另外一种模式模场更趋附于金属，传播损耗较大，只能沿金属薄膜传播很短的距离，所以被称为短程表面等离子体波5(short rangesurface plasmon polariton，SRSPP)。这样，薄的金属膜或金属条就成为表面等离子体波导(SPP波导)。当传播长程或短程表面等离子体波时，则称之为长程或短程表面等离子体波导。若将金属SPP波导和传统介质波导放在一起，并在满足一定的条件下，SPP模式和普通介质波导模式将发生耦合。

由于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。在生化传感器方面有着广泛的应用前景。而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，体积大、稳定性差、成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种长程表面等离子体波与介质导波耦合结构，以实现长程表面等离子体波基器件与介质基器件的高度集成，实现折射率传感和可控的光电集成器件。

本发明的另一目是提供一种折射率传感器，以实现折射率的高灵敏度实时检测，解决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、稳定性差等问题。

本发明的又一目是提供一种低功耗、高性能的光电强度调制器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种长程表面等离子体波与介质导波耦合结构，该结构由下至上分别为：介质衬底层、介质波导层、耦合匹配层和长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介质衬底层和所述耦合匹配层的折射率。

其中，所述介质波导层的介质波导TM模式的等效折射率与长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，所述耦合匹配层的折射率为1.2～3.8，所述耦合匹配层的厚度为0.01μm～10μm。

其中，所述长程表面等离子体波导部分由下至上又包括：介质缓冲层，金属层，以及介质覆盖层。

其中，所述金属层为铂、金、银、铝、铜、铁、铬、镍、钛中的一种或几种组合的合金，或以上金属各自的合金，或金属陶瓷。

其中，所述金属层的厚度为5nm～100nm，所述介质缓冲层的厚度为1nm～20μm。

其中，所述介质缓冲层的折射率为1.0～3.8，所述介质覆盖层的折射率为1.0～3.8。

其中，所述耦合匹配层与所述缓冲介质层的总厚度大于使介质波导TM模式与长程表面等离子体波模式耦合发生截止的临界厚度。

一种应用所述长程表面等离子体波与介质导波耦合结构的折射率传感器，该折射率传感器主要由所述耦合结构构成，该结构由下至上分别为：介质衬底层，介质波导层，耦合匹配层，长程表面等离子体波导部分。

其中，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所述介质覆盖层的折射率范围。

一种应用所述长程表面等离子体波与介质导波耦合结构的光电强度调制器，该调制器主要由所述耦合结构构成，在所述耦合结构的介质覆盖层上覆盖有金属电极。

其中，所述金属电极和长程表面等离子体波导部分中的金属层间加调制电压。

其中，所述介质覆盖层采用电光介质材料。

有益效果：

1、本发明所提供的长程表面等离子体波与介质导波耦合结构为实现长程表面等离子体波基器件与介质基器件的高度集成，以及实现折射率传感和可控的光电集成器件提供了基础。

2、本发明的应用长程表面等离子体波与介质导波耦合结构的折射率传感芯片，灵敏度高，上述耦合结构的应用使得该传感器体积小、所需元器件少、调节容易、稳定性高等问题。