專(zhuān)利名稱(chēng)：長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成光電子技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)及基于該結(jié)構(gòu)的折射率傳感器、TM偏振調(diào) 制器。
背景技術(shù)：
表面等離子體波(Surface plasmon polariton， SPP )是一種沿金 屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ碾姶艌?chǎng)。如圖1所示，它的場(chǎng)能量集中在金屬(或 金屬和介質(zhì)的混合物)l和介質(zhì)界面2的附近，在介質(zhì)中，其電磁場(chǎng) 的振幅隨著離開(kāi)界面的距離呈指數(shù)衰減。當(dāng)金屬膜較薄時(shí)，上下表面 等離子體波3將發(fā)生耦合，生成兩種新的表面等離子體波模式。如圖 2所示，其中一種模式的模場(chǎng)大部分分布在金屬以外的介質(zhì)2中，傳 播損耗比較小，可以沿金屬薄膜傳播較長(zhǎng)一段距離，這種模式被稱(chēng)為 長(zhǎng)程表面等離子體波4( long range surface plasmon polariton, LRSPP ); 另外一種模式模場(chǎng)更趨附于金屬，傳播損耗較大，只能沿金屬薄膜傳 播很短的距離，所以被稱(chēng)為短程表面等離子體波5 (short range surface plasmon polariton， SRSPP )。這樣，薄的金屬膜或金屬條就成 為表面等離子體波導(dǎo)(SPP波導(dǎo))。當(dāng)傳播長(zhǎng)程或短程表面等離子體 波時(shí)，則稱(chēng)之為長(zhǎng)程或短程表面等離子體波導(dǎo)。若將金屬SPP波導(dǎo)和 傳統(tǒng)介質(zhì)波導(dǎo)放在一起，并在滿(mǎn)足一定的條件下，SPP模式和普通介 質(zhì)波導(dǎo)模式將發(fā)生耦合。由于SPP的場(chǎng)能量集中在金屬和介質(zhì)界面的附近，這使得在金屬 表面的場(chǎng)很強(qiáng)，對(duì)于表面的形態(tài)，特別是折射率的變化非常敏感。在 生化傳感器方面有著廣泛的應(yīng)用前景。而傳統(tǒng)的表面等離子體波生化 傳感器需要棱鏡、轉(zhuǎn)臺(tái)等分離的元件，體積大、穩(wěn)定性差、成本高。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合 結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程表面等離子體波基器件與介質(zhì)基器件的高度集成， 實(shí)現(xiàn)折射率傳感和可控的光電集成器件。本發(fā)明的另一目是提供一種折射率傳感器，以實(shí)現(xiàn)折射率的高靈 敏度實(shí)時(shí)檢測(cè)，解決傳統(tǒng)的表面等離子體波折射率檢測(cè)方法的體積 大、所需元器件多、調(diào)節(jié)困難、穩(wěn)定性差等問(wèn)題。本發(fā)明的又一目是提供一種低功耗、高性能的光電強(qiáng)度調(diào)制器。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明釆用如下技術(shù)方案一種長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由下至上 分別為介質(zhì)襯底層、介質(zhì)波導(dǎo)層、耦合匹配層和長(zhǎng)程表面等離子體 波導(dǎo)部分。其中，所述介質(zhì)波導(dǎo)層的折射率大于所述介質(zhì)襯底層和所述耦合 匹配層的折射率。其中，所述介質(zhì)波導(dǎo)層的介質(zhì)波導(dǎo)TM模式的等效折射率與長(zhǎng)程 表面等離子體波的等效折射率相等。其中，所述介質(zhì)波導(dǎo)層的折射率為1.2~3.8，所述介質(zhì)波導(dǎo)層的 厚度為10nm 5000nm。其中，所述耦合匹配層的折射率為1.2~3.8，所述耦合匹配層的 厚度為0.01pm 10^im。其中，所述長(zhǎng)程表面等離子體波導(dǎo)部分由下至上又包括介質(zhì)緩 沖層，金屬層，以及介質(zhì)覆蓋層。其中，所述金屬層為鉑、金、銀、鋁、銅、鐵、鉻、鎳、鈦中的 一種或幾種組合的合金，或以上金屬各自的合金，或金屬陶瓷。其中，所述金屬層的厚度為5mn 100nm,所述介質(zhì)緩沖層的厚 度為lnm 20(im。其中，所述介質(zhì)緩沖層的折射率為1.0 3.8，所述介質(zhì)覆蓋層的 折射率為1.0 3.8。5其中，所述耦合匹配層與所述緩沖介質(zhì)層的總厚度大于使介質(zhì)波 導(dǎo)TM模式與長(zhǎng)程表面等離子體波模式耦合發(fā)生截止的臨界厚度。一種應(yīng)用所述長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的折射 率傳感器，該折射率傳感器主要由所述耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)由下至 上分別為介質(zhì)襯底層，介質(zhì)波導(dǎo)層，耦合匹配層，長(zhǎng)程表面等離子 體波導(dǎo)部分。其中，通過(guò)調(diào)整所述介質(zhì)緩沖層折射率和厚度來(lái)調(diào)節(jié)所能探測(cè)的 所述介質(zhì)覆蓋層的折射率范圍。一種應(yīng)用所述長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的光電 強(qiáng)度調(diào)制器，該調(diào)制器主要由所述耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在所述耦合結(jié)構(gòu)的 介質(zhì)覆蓋層上覆蓋有金屬電極。其中，所述金屬電極和長(zhǎng)程表面等離子體波導(dǎo)部分中的金屬層間 加調(diào)制電壓。其中，所述介質(zhì)覆蓋層釆用電光介質(zhì)材料。有益效果1、 本發(fā)明所提供的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)為 實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)程表面等離子體波基器件與介質(zhì)基器件的高度集成，以及實(shí)現(xiàn)折射率傳感和可控的光電集成器件提供了基礎(chǔ)。2、 本發(fā)明的應(yīng)用長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的折 射率傳感芯片，靈敏度高，上述耦合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用使得該傳感器體積小、 所需元器件少、調(diào)節(jié)容易、穩(wěn)定性高等問(wèn)題。3、 本發(fā)明提供的應(yīng)用長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu) 的光電強(qiáng)度調(diào)制器，靈敏性高，可由低的驅(qū)動(dòng)電壓將對(duì)輸出功率進(jìn)行 有效調(diào)制，功耗低、性能高。


圖l、圖2為表面等離子體波的概念圖；圖3為本發(fā)明的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 示意圖；圖4、圖5為本發(fā)明長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)金屬 層與介質(zhì)波導(dǎo)層結(jié)構(gòu)示意圖；圖6、圖7為應(yīng)用長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的折射率傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖8為應(yīng)用長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的折射率傳感器輸出功率隨被測(cè)物質(zhì)折射率的變化關(guān)系圖；圖9為另 一個(gè)應(yīng)用長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的折射率傳感器輸出功率隨被測(cè)物質(zhì)折射率的變化關(guān)系圖；圖io、圖ll為應(yīng)用長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的光電可變衰減器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖12、圖13為應(yīng)用本發(fā)明的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的光電強(qiáng)度調(diào)制器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1、金屬(或金屬和介質(zhì)的混合物)；2、金屬周?chē)橘|(zhì)；3、 表面等離子體波；4、長(zhǎng)程表面等離子體波；5、短程表面等離子體波； 6、金屬層；7、介質(zhì)波導(dǎo)層；8、耦合匹配層；9、介質(zhì)緩沖層；10、 介質(zhì)襯底層；11、介質(zhì)覆蓋層；12、金屬電極。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明提出的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)及其應(yīng) 用，結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明如下。 實(shí)施例l本發(fā)明提供的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)，如圖4、 5所示，該結(jié)構(gòu)由下至上包括介質(zhì)襯底層IO,介質(zhì)波導(dǎo)層7，耦合匹 配層8,以及形成于該耦合匹配層上的、用于傳導(dǎo)長(zhǎng)程表面等離子體 波的長(zhǎng)程表面等離子體波導(dǎo)部分。其中，介質(zhì)波導(dǎo)層7的折射率大于襯底介質(zhì)層10的折射率，也大 于耦合匹配層8的折射率。介質(zhì)波導(dǎo)層7的折射率的選擇使得該介質(zhì)波 導(dǎo)TM偏振態(tài)基模的等效折射率與該長(zhǎng)程表面等離子體波的等效折射優(yōu)選地，介質(zhì)波導(dǎo)層7的折射率為1.2-3.8,厚度 為10nm-5000nm ;耦合匹配層8的折射率為1.2-3.8 ,厚度為 O.Ol(im-lO[xm。其中，長(zhǎng)程表面等離子體波導(dǎo)部分由下至上依次分為介質(zhì)緩沖 層9、金屬層6和介質(zhì)覆蓋層11。金屬層6為鉑、金、銀、鋁、銅、鐵、 鉻、鎳、鈥中的一種或者幾種組成的合金，也可以是金屬陶瓷，即上 述金屬和合金和Si02、 MgF2、 A1203、 Si、 GaAs、 InP等介質(zhì)的混合物， 介質(zhì)波導(dǎo)層7和介質(zhì)襯底層10、介質(zhì)覆蓋層11及介質(zhì)緩沖層9的介質(zhì)材 料可為樹(shù)脂材料、Si02、 MgF2、 A1203、 Si、 GaAs、 InP等。金屬層6 的厚度為5nm-100nm，介質(zhì)緩沖層9的厚度為10nm-20|im,介質(zhì)覆蓋 層11以及介質(zhì)緩沖層9的折射率均為1.0-3.8。耦合匹配層8和介質(zhì)緩沖 層9的總厚度大于使介質(zhì)波導(dǎo)TM模式與長(zhǎng)程表面等離子體波模式耦合發(fā)生截止的臨界厚度。如圖3所示，構(gòu)成金屬層(LRSPP波導(dǎo))6的金屬波導(dǎo)條，構(gòu)成 介質(zhì)波導(dǎo)層7的介質(zhì)條，兩條垂直排列。在調(diào)節(jié)兩層的寬度和厚度滿(mǎn) 足使LRSPP波導(dǎo)和介質(zhì)波導(dǎo)傳導(dǎo)模式的傳播常數(shù)基本相等的情況 下，通過(guò)調(diào)節(jié)介質(zhì)波導(dǎo)層7及介質(zhì)緩沖層9的厚度，可以使LRSPP 模式和介質(zhì)波導(dǎo)TM模式之間將發(fā)生耦合，從而能量在兩層之間轉(zhuǎn) 移。當(dāng)金屬層6上方介質(zhì)折射率發(fā)生變化時(shí)，LRSPP模式的損耗和 模場(chǎng)特性將受金屬層6上下介質(zhì)層折射率差的影響，并且當(dāng)金屬層6 上下介質(zhì)折射率差稍大時(shí)LRSPP模式會(huì)截止。而LRSPP的存在和特 性的變化將直接影響到介質(zhì)波導(dǎo)TM模式和LRSPP模式之間的耦合， 進(jìn)而會(huì)改變介質(zhì)波導(dǎo)TM輸出功率的大小。因此，通過(guò)測(cè)定該介質(zhì)波 導(dǎo)輸出功率的變化可以檢測(cè)該金屬層6上方的介質(zhì)覆蓋層11的折射 率變化。由于金屬層6上下介質(zhì)折射率非常接近時(shí)模式之間耦合效率 最大，因此，通過(guò)改變金屬層6下方的介質(zhì)緩沖層9材料的折射率可8以調(diào)整應(yīng)用本發(fā)明的耦合結(jié)構(gòu)的折射率傳感器對(duì)金屬層上方的介質(zhì) 材料折射率的傳感中心。另外，通過(guò)主動(dòng)改變金屬層上方介質(zhì)的折射率還可以對(duì)介質(zhì)波導(dǎo)TM模式進(jìn)行控制。由于其中金屬層6除了作為L(zhǎng)RSPP波導(dǎo)外，還可以看作是電的金屬導(dǎo)線。這樣就可以通過(guò)對(duì)金屬導(dǎo)線加電，利用金屬層6周?chē)橘|(zhì)的電光效應(yīng)或熱光效應(yīng)等改變其折射率，從而控制 TM偏振光在兩個(gè)層之間的耦合，實(shí)現(xiàn)對(duì)TM偏振光輸出的控制。 實(shí)施例2如圖6和圖7所示為應(yīng)用本發(fā)明的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo) 波耦合結(jié)構(gòu)的折射率傳感器結(jié)構(gòu)圖，該折射率傳感器主要由上述耦合 結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中，介質(zhì)襯底層IO材料為Si02,在介質(zhì)襯底層10上通 過(guò)紫外光刻和化學(xué)氣向沉積的方法制作的介質(zhì)波導(dǎo)層7為2jim寬、 220nm厚的Si3N4條；耦合匹配層8和介質(zhì)緩沖層9均為折射率為1.45 的Si02,總厚度為6pm;再通過(guò)紫外光刻和濺射的方法制作金屬層6, 為5pm寬、640pm長(zhǎng)、25nm厚的Al條。金屬層6上方為待測(cè)物質(zhì)，即介質(zhì)覆蓋層，當(dāng)其折射率隨物理的 (溫度、濕度、壓力、電磁場(chǎng)等)、化學(xué)的(生化反應(yīng))等因素發(fā)生 變化時(shí)，從下邊的介質(zhì)波導(dǎo)層7耦合到上邊Al條的能量將隨著Al 條上方被探測(cè)物質(zhì)的折射率變化而發(fā)生變化。當(dāng)波長(zhǎng)為1.55|am、強(qiáng)度為OdBm的TM波從介質(zhì)波導(dǎo)層7輸入 時(shí)，輸出功率P。ut隨金屬層6上方介質(zhì)覆蓋層ll折射率naet的變化如 圖8所示。該折射率傳感器的傳感中心，即曲線中的最低點(diǎn)，位于 1.45附近，也就是位于介質(zhì)緩沖層9折射率附近。在傳感區(qū)域 1.444~1.446，傳感靈敏度可達(dá)5xl0-7。本實(shí)施例中金屬層6代表的Al條可以換成金、銀、銅、鈥、鎳、 鉻、鐵中的任何一種或者是他們的合金，也可以是金屬陶瓷條，即上 述金屬和合金和Si02、 MgF2、 A1203、 Si、 GaAs、 InP等介質(zhì)的混合物。介質(zhì)波導(dǎo)層7和介質(zhì)襯底層10、介質(zhì)覆蓋層11及介質(zhì)緩沖層9的介質(zhì)材料可換成樹(shù)脂材料，Si02、 MgF2、 A1203、 Si、 GaAs、 InP等，但要求介質(zhì)波導(dǎo)層7材料的折射率大于周?chē)橘|(zhì)的折射率。當(dāng)改 變材料時(shí)，金屬(陶瓷)條和介質(zhì)條的幾何參數(shù)要做一定的調(diào)整。 實(shí)施例3如圖6和圖7所示為應(yīng)用長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié) 構(gòu)的折射率傳感器結(jié)構(gòu)圖，該折射率傳感器主要由上述結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其 中，介質(zhì)襯底層IO材料為Si02，在襯底上通過(guò)紫外光刻和化學(xué)氣向 沉積的方法制作的介質(zhì)波導(dǎo)層7，為5)im寬、120nm厚的Si3N4條； 耦合匹配層8為3|im厚的Si02;介質(zhì)緩沖層9為4|am厚的折射率為 1.38的CYTOP樹(shù)脂層；金屬層6為20jim寬、1050pm長(zhǎng)、30nm厚 的Au條。當(dāng)金屬層6上方介質(zhì)覆蓋層11的折射率隨物理的(溫度、濕度、 壓力、電磁場(chǎng)等)、化學(xué)的(生化反應(yīng))等因素發(fā)生變化時(shí)，從下邊 的介質(zhì)波導(dǎo)層7耦合到上邊金屬成6的能量將隨著金屬層6上方介質(zhì) 覆蓋層11的折射率變化而發(fā)生變化。當(dāng)波長(zhǎng)為1.55pm、強(qiáng)度為OdBm的TM波從介質(zhì)波導(dǎo)輸入時(shí)， 輸出功率P。ut隨金屬上方介質(zhì)覆蓋層11折射率ndet的變化如圖9所示。 其傳感中心，即曲線中的最低點(diǎn)，位于1.38附近，也就是位于介質(zhì) 緩沖層9折射率附近。在傳感區(qū)域1.380~1.382，傳感靈敏度可達(dá) 6xl0-7。材料的其他選擇與實(shí)施例2同。 實(shí)施例4如圖6和圖7所示為應(yīng)用本發(fā)明長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波 耦合結(jié)構(gòu)的折射率傳感器結(jié)構(gòu)圖。其中，介質(zhì)襯底層IO的材料選擇 為一種折射率為1.45的玻璃材料，在襯底上運(yùn)用光刻及離子交換的 方法制作2pm寬i折射率為1.46介質(zhì)波導(dǎo)層7;耦合匹配層8為lpm厚SiO"在其上沉積ljum厚、折射率為1.36的樹(shù)脂材料作為介質(zhì)緩 沖層9;金屬層6為640pm長(zhǎng)、30nm厚的Al膜。Al膜上方為0.5pm厚的介質(zhì)覆蓋層11，當(dāng)其折射率隨物理的(溫 度、濕度、壓力、電磁場(chǎng)等)、化學(xué)的(生化反應(yīng))等因素發(fā)生變化 時(shí)，從下邊的介質(zhì)波導(dǎo)層7耦合到上邊Al膜的能量將隨著金屬膜上 方被探測(cè)物質(zhì)的折射率變化而發(fā)生變化。當(dāng)波長(zhǎng)為0.633pm、強(qiáng)度為OdBm的TM波從介質(zhì)波導(dǎo)輸入時(shí)， 輸出功率隨金屬上方介質(zhì)探測(cè)層折射率的變化與圖8、圖9類(lèi)似。所 不同的是，其傳感中心，即曲線中的最低點(diǎn)，位于1.36附近，也就 是位于介質(zhì)緩沖層折射率附近。在傳感區(qū)域1.359~1.361，傳感靈敏 度可達(dá)5xl0-7。材料的其他選擇與實(shí)施例2同。 實(shí)施例5如圖IO和圖ll所示為應(yīng)用本發(fā)明的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì) 導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的熱光可變衰減器的基本結(jié)構(gòu)。該熱光可變衰減器主要 由上述耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成，其中介質(zhì)襯底層10材料為Si02，在其上通過(guò) 濺射或蒸鍍和光刻的方法制作出2nm寬、220nm厚的Si3N4條座位介 質(zhì)波導(dǎo)層7,繼續(xù)沉積一層6pm厚的Si02作為耦合匹配層8和介質(zhì) 緩沖層9;在其上濺射金屬層6為5pm寬、25nm厚的Al條，其長(zhǎng) 度為1140pm;最后覆蓋上10pm厚的折射率與Si02非常接近的折射率隨溫度變化的樹(shù)脂材料作為介質(zhì)覆蓋層11。將波長(zhǎng)為1.55pm、強(qiáng)度為0dBm的TM波從介質(zhì)波導(dǎo)層7輸入， 當(dāng)金屬層6不加電時(shí)，下邊的介質(zhì)波導(dǎo)TM模式將轉(zhuǎn)化為上面Al條 的LRSPP模式(如實(shí)線箭頭所示)。而當(dāng)A1條加電的情況下，由于 導(dǎo)線發(fā)熱使得周?chē)橘|(zhì)覆蓋層11在Al條周?chē)鷧^(qū)域的折射率發(fā)生變 化，從而使得LRSPP模式特性發(fā)生變化。在加電的情況下，入射光 波不再耦合到LRSPP波導(dǎo)，而沿虛線箭頭所示沿下邊介質(zhì)波導(dǎo)輸出。因此，可以通過(guò)對(duì)Al條加電來(lái)控制介質(zhì)波導(dǎo)層7輸出功率P喊的大 小。材料的其他選擇與實(shí)施例2同。 實(shí)施例6如圖12和圖13所示為應(yīng)用本發(fā)明的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì) 導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的光電強(qiáng)度調(diào)制器的基本結(jié)構(gòu)。該調(diào)制器主要由上述耦 合結(jié)構(gòu)構(gòu)成。其中，介質(zhì)襯底層IO材料為Si02，在其上通過(guò)濺射或 蒸鍍和光刻的方法制作出2pm寬、220nm厚的Si3N4條作為介質(zhì)波導(dǎo) 層7,繼續(xù)沉積 一層6pm厚的Si02作為耦合匹配層8和介質(zhì)緩沖層9; 在其上濺射Al作為金屬層6， 5pm寬、25nm厚、長(zhǎng)度為1140pm; 然后覆蓋上4pm厚的折射率與Si02非常接近的電光材料ll作為介質(zhì) 覆蓋層和Au膜作為金屬電極12。將波長(zhǎng)為1.55pm、強(qiáng)度為OdBm的TM波從介質(zhì)波導(dǎo)層7輸入。 當(dāng)金屬層6與Au膜金屬電極12之間所加的電壓變化時(shí)，介質(zhì)覆蓋 層11材料的折射率由于電光效應(yīng)隨之發(fā)生變化，從而改變下邊的介 質(zhì)波導(dǎo)TM模式與金屬層6的LRSPP模式的耦合，進(jìn)而改變介質(zhì)波 導(dǎo)功率輸出。因此，可以通過(guò)對(duì)介質(zhì)覆蓋層ll加調(diào)制電壓來(lái)對(duì)介質(zhì) 波導(dǎo)的輸出功率進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。本實(shí)施例中的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)還可以 作為調(diào)制器或者分東器、偏振器使用。材料的其他選擇與實(shí)施例2同。以上實(shí)施方式僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而并非對(duì)本發(fā)明的限制，有關(guān) 技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下， 還可以做出各種變化和變型，因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明 的范疇，本發(fā)明的專(zhuān)利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1、一種長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)由下至上分別為介質(zhì)襯底層(10)、介質(zhì)波導(dǎo)層(7)、耦合匹配層(8)和長(zhǎng)程表面等離子體波導(dǎo)部分。
2、 如權(quán)利要求1所述的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié) 構(gòu)，其特征在于，所述介質(zhì)波導(dǎo)層(7)的折射率大于所述介質(zhì)襯底 層(10)和所述耦合匹配層(8)的折射率。
3、 如權(quán)利要求1所述的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié) 構(gòu)，其特征在于，所述介質(zhì)波導(dǎo)層(7)的介質(zhì)波導(dǎo)TM模式的等效 折射率與長(zhǎng)程表面等離子體波的等效折射率相等。
4、 如權(quán)利要求1所述的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié) 構(gòu)，其特征在于，所述介質(zhì)波導(dǎo)層(7)的折射率為1.2~3.8，所述介 質(zhì)波導(dǎo)層(7)的厚度為10nm 5000nm。
5、 如權(quán)利要求1所述的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié) 構(gòu)，其特征在于，所述耦合匹配層(8)的折射率為1.2 3.8,所述耦 合匹配層(8)的厚度為0.01jim~10|im。
6、 如權(quán)利要求1所述的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié) 構(gòu)，其特征在于，所述長(zhǎng)程表面等離子體波導(dǎo)部分由下至上又包括 介質(zhì)緩沖層(9)，金屬層(6)，以及介質(zhì)覆蓋層(11)。
7、 如權(quán)利要求6所述的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié) 構(gòu)，其特征在于，所述金屬層(6)為鉑、金、銀、鋁、銅、鐵、鉻、鎳、鈦中的一種或幾種組合的合金，或以上金屬各自的合金，或金屬 陶瓷。
8、 如權(quán)利要求6所述的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié) 構(gòu)，其特征在于，所述金屬層(6)的厚度為5nm 100nm，所述介質(zhì) 緩沖層(9)的厚度為lnm 20pm。
9、 如權(quán)利要求6所述的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述介質(zhì)緩沖層(9)的折射率為1.0 3.8，所述介 質(zhì)覆蓋層(11)的折射率為1.0 3.8。
10、 如權(quán)利要求6所述的長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié) 構(gòu)，其特征在于，所述耦合匹配層(8)與所述緩沖介質(zhì)層(9)的總 厚度大于使介質(zhì)波導(dǎo)TM模式與長(zhǎng)程表面等離子體波模式耦合發(fā)生 截止的臨界厚度。
11、 一種應(yīng)用權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的長(zhǎng)程表面等離子體波與 介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的折射率傳感器，其特征在于，該折射率傳感器主 要由所述耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)由下至上分別為介質(zhì)襯底層(IO)， 介質(zhì)波導(dǎo)層(7),耦合匹配層(8)，長(zhǎng)程表面等離子體波導(dǎo)部分。
12、 如權(quán)利要求ll所述的折射率傳感器，其特征在于，通過(guò)調(diào)整 所述介質(zhì)緩沖層(9)折射率和厚度來(lái)調(diào)節(jié)所能探測(cè)的所述介質(zhì)覆蓋 層(11)的折射率范圍。
13、 一種應(yīng)用權(quán)利要求1-10任一項(xiàng)所述的長(zhǎng)程表面等離子體波與 介質(zhì)導(dǎo)波耦合結(jié)構(gòu)的光電強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于，該調(diào)制器主要由 所述耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成，在所述耦合結(jié)構(gòu)的介質(zhì)覆蓋層(11)上覆蓋有金 屬電極(12)。
14、 如權(quán)利要求13所述的光電強(qiáng)度調(diào)制器，其特征在于，所述金 屬電極(12)和長(zhǎng)程表面等離子體波導(dǎo)部分中的金屬層(6)間加調(diào) 制電壓。
15、 如權(quán)利要求13所述的光電強(qiáng)度調(diào)制器調(diào)制器，其特征在于， 所述介質(zhì)覆蓋層(11 )釆用電光介質(zhì)材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種長(zhǎng)程表面等離子體波與介質(zhì)導(dǎo)波混合耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)襯底層(10)；位于該介質(zhì)襯底層(10)上的介質(zhì)波導(dǎo)層(7)；位于該介質(zhì)導(dǎo)波層上的耦合匹配層(8)；以及形成于該耦合匹配層(8)上的、用于傳導(dǎo)長(zhǎng)程表面等離子體波的長(zhǎng)程表面等離子體波導(dǎo)部分，該長(zhǎng)程表面等離子波導(dǎo)部分進(jìn)一步包括介質(zhì)緩沖層(9)、金屬層(6)、以及介質(zhì)覆蓋層(11)。應(yīng)用上述混合耦合結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)可集成的、極高靈敏度、體積小、穩(wěn)定性高的折射率傳感器，以及高性能、低功耗的光電強(qiáng)度調(diào)制器。
文檔編號(hào)G01N21/41GK101581814SQ20091013269
公開(kāi)日2009年11月18日 申請(qǐng)日期2009年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月7日
發(fā)明者萬(wàn)銳媛, 三浦義勝, 丹羽大介, 仿 劉, 大西大, 彭江得, 黃翊東 申請(qǐng)人:清華大學(xué);日本羅姆公司