[发明专利]一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片

说明书

本发明公开了一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，所述的折射率传感芯片分为四层结构，第一层为底层的透明介质基底，第二层为金属薄膜层，第三层介质光栅层，第四层为高折射率介质光栅层；其中，介质光栅层和高折射率介质光栅层为周期性光栅阵列，光栅周期同为p，光栅占空比同为q，厚度分别为t1和t2，其中t1t2；通过调整芯片的结构参数，包括金属薄膜层厚度和高折射率介质光栅层的光栅参数及厚度，在Q值较低的GMR（Guided‑Mode Resonance）共振峰的基础上，衍生出一个高Q的共振峰；该高Q共振峰处伴随着相位突变，高Q共振峰具备偏振敏感性。基于本发明可实现高灵敏的折射率传感，对疾病诊断、药物研发、生物化学检测等领域具有发展性的意义。

技术领域

本发明属于光学传感领域，涉及一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，可应用于生物检测及疾病诊断治疗等领域。

背景技术

在生物检测领域，光学传感尤其是基于折射率的传感方法和器件由于不需要标记、灵敏度高等优点，受到众多研究者的关注。

GMR (Guided-Mode Resonance, 导模共振)是指外部场与亚波长光栅波导的泄漏模之间产生耦合，发生共振的现象。可以将衍射光栅相当于周期调制的平面波导，当一个外部传播波和亚波长光栅波导所支持的导波模式满足波矢匹配时，会产生强耦合，耦合的能量再通过周期性光栅反射或透射出去，形成尖锐的反射或者透射共振峰。基于GMR的折射率传感器由于具有线宽小，Q值大等优点，受到广大研究者的关注，除此外GMR还被广泛应用于滤波器、光调制器、光开关等领域。

MAGMR (Metal Assistant Guided-Mode Resonance, 金属辅助导模共振)是在GMR的基础上，在亚波长光栅底部增加一层有一定厚度的金属薄膜。当在GMR结构的波导通道下方引入金属层时，由于金属-电介质界面的损耗性质，波导内部的传播模式会经历更快的衰减。随着波长远离共振处，金属层开始显现其金属的高反特性，入射光被反射回去。基于MAGMR的传感器可以提供比基于GMR传感器更高的灵敏度值，并且共振峰的Q值也高于GMR传感器。除此之外，由于金属的存在，一定程度的抑制了场往下面基底的延伸，从而模斑更多的分布在传感空间。

但总体而言，基于GMR和MAGMR的传感器的Q值还是比较低，并且由于其电场模斑主要分布在介质内部，在外界感知空间延伸的不多，因此其传感的灵敏度有限，从而也导致较低的FoM，不利于实际应用的高灵敏传感检测。

发明内容

本发明提出了一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，可实现高灵敏度的折射率传感，对生物检测、疾病诊断、药物研发等领域具有发展性的意义。

一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，所述的折射率传感芯片分为四层结构，第一层为底层的透明介质基底，第二层为金属薄膜层，第三层介质光栅层，第四层为高折射率介质光栅层；

其中，介质光栅层和高折射率介质光栅层为周期性光栅阵列，光栅周期同为p，光栅占空比同为q，厚度分别为t1和t2，其中t1t2；

通过调整芯片的结构参数，包括金属薄膜层厚度和高折射率介质光栅层的光栅参数及厚度，在Q值较低的GMR（Guided-Mode Resonance）共振峰的基础上，衍生出一个高Q的共振峰；

该高Q共振峰处伴随着相位突变，高Q共振峰具备偏振敏感性；

高Q共振峰的工作波长可通过调节芯片的结构参数来调节。

所述的透明介质基底为折射率低于1.6的透明材料，包括玻璃、塑料。

所述的金属薄膜层为具备金属损耗及金属高反特性的金属材料，包括Au、Ag、Al、Cu、Ti。

所述的金属薄膜层的厚度为80-200nm。