本发明专利技术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，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。采用所述结构可实现高度集成的耦合器，起偏器，调制器以及超薄物质折射率的高灵敏度检测芯片。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光电子
，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。
技术介绍
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l所示，l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 plasmonpolariton，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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。为了达到上述专利技术目的，本专利技术提供了 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O.Olpm-l(Him，所述耦合匹配层 的折射率为1.2-3.8。其中，所述短程表面等离子体波导部分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。其中，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。其中，所述金属层的厚度为10nm-100nm,所述介质缓冲层的厚 度为10nm画5000nm。其中，所述介质覆盖层的折射率为1.0-3.8，所述介质缓冲层的折 射率为1.0-3.8。其中，所述耦合匹配层和所述缓冲介质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。本专利技术还提供了一种应用上述混合耦合结构的混合耦合器，其 中，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10|im-2000)am。本专利技术还提供了 一种应用所述混合耦合结构的混合起偏器，其 中，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。本专利技术还提供了 一种应用上述混合耦合结构的TM偏振调制器， 其中，所述介质覆盖层上覆盖金、铬组成的电极，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。其中，所述介质覆盖层采用电光介质材料。本专利技术还提供了一种应用上述混合耦合结构的传感器，其中，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 该金属表面上方介质覆盖层折射率的变化。其中，所述介质覆盖层折射率的微小变化包括由生物反应或是物 理、化学作用引起的该介质覆盖层的折射率微小变化。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 该介质覆盖层的折射率范围。其中，所述传感器所能探测的介质覆盖层的厚度为所使用波长的 1/15至500微米。本专利技术所提供的短程表面等离子体波与普通介质导波混合耦合 结构，实现了薄层物质折射率的高精度检测，所述结构应用于耦合器、 起偏器以及折射率传感芯片，解决了传统检测方法的体积大、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的问题。附图说明图1和图2为表面等离子体波的概念图；图3是短程表面等离子体波与普通介质波导混合耦合器的核心波 导结构；图4是本专利技术一个短程表面等离子体波与普通介质波导混合集成 耦合器的立体结构示意图； 图5是图4的侧视图；8图6是本专利技术另一个短程表面等离子体波与普通介质波导混合集 成耦合器的立体结构示意图；图7是图6的侧视图；图8是本专利技术的另一个可控短程表面等离子体波与普通介质波导 混合耦合器立体结构示意图； 图9是图8的侧视图；图10是本专利技术的一个短程表面等离子体波与普通介质波导混合 折射率检测芯片立体结构示意图； 图11是图10的侧视图；图12是本专利技术的一个短程表面等离子体波与普通介质波导混合 折射率检测芯片输出功率随被测物质折射率的变化关系图；图13是本专利技术的又一个短程表面等离子体波与普通介质波导混 合折射率检测芯片输出功率随被测物质折射率的变化关系图本文档来自技高网...
【技术保护点】
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；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。
【技术特征摘要】
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；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。2、 如权利要求l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。3、 如权利要求2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。4、 如权利要求3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，所述 介质波导层的厚度为10nm-5000nm。5、 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，所述耦合匹配层的厚度为O.Olpm-l(Him, 所述耦合匹配层的折射率为1.2-3.8。6、 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，所述短程表面等离子体波导部分包括由下 往上依次形成的介质缓冲层、金属层和介质覆盖层。7、 如权利要求6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、销、铜、铁、铬、 镍、钛中的一种或者几种组成的合金。8、 如权利要求6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，所述金属层的厚度为10nm-100nm，所述 介质缓冲层的厚度为10nm-5000nm。9、 如权利要求6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，所述介质覆盖层的折射...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘仿，万锐媛，黄翊东，冯雪，张巍，彭江德，大西大，丹羽大介，三浦羲胜，
申请(专利权)人：清华大学，罗姆公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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