[发明专利]短程表面等离子体波导与介质波导混合耦合阵列式结构

说明书

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及短程表面等离子体波导与介质波导混合耦合阵列式结构。

背景技术

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1所示，1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。其中一种模式为反对称模式，如图2中5所示，其模场较一般SPP波更趋附于金属，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)。当金属波导和介质波导距离足够近，在一定的条件下，介质波导模式将与SRSPP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。

传统的棱镜型表面等离子体波生化传感器体积大、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。而传统的波导型表面等离子体波生化传感器，也具有可传感范围较窄等问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种短程表面等离子体波导与介质波导混合耦合阵列式结构，以实现超薄层介质折射率的可调传感范围实时检测，在保证高灵敏度、稳定性的同时，解决了传统的波导型表面等离子体波折射率检测方法传感范围小的问题。所述耦合结构包括：介质衬底层，以及位于介质衬底上的至少两个耦合结构。所述耦合结构包括：介质波导层，所述介质波导层位于所述介质衬底层上；以及短程表面等离子体波导层，所述短程表面等离子体波导层位于所述介质波导层上。其中，至少一个所述耦合结构的短程表面等离子体波导层与另一个所述耦合结构的短程表面等离子体波导层具有不同厚度。

其中，至少一个所述耦合结构的介质波导层与另一个所述耦合结构的介质波导层具有不同宽度。

其中，至少两个所述耦合结构具有相同厚度的短程表面等离子波导层和不同宽度的介质波导层。

其中，至少一个所述耦合结构的短程表面等离子波导层与另一个所述耦合结构的短程表面等离子波导层具有相同厚度和不同长度。

其中，至少两个所述耦合结构的介质波导层具有同一输入端口和多个输出端口。进一步地，所述多个输出端口具有不同宽度。

其中，至少一个所述耦合结构的短程表面等离子波导层与另一个所述耦合结构的短程表面等离子波导层具有相同厚度和不同长度。

其中，至少两个所述耦合结构的短程表面等离子体波导层彼此相连接。

其中，所述耦合结构还包括位于所述短程表面等离子体波导层之上的介质覆盖层。进一步地，至少两个所述耦合结构的介质覆盖层彼此相连接。

其中，所述耦合结构还包括位于所述介质波导层之上、所述短程表面等离子体波导层之下的耦合匹配层。

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，所述介质波导层宽度为2μm-20μm。

其中，所述耦合匹配层的厚度为0.01μm-10μm，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层为金属层，例如，为金、银、铝、铜、铁、铬、镍、钛中的一种或者几种组成的合金。

其中，所述短程表面等离子体波导层的厚度为10nm-100nm，所述短程表面等离子体波导层的长度为50μm-200μm。具有相同厚度的短程表面等离子体波导层所对应的介质波导可具有不同的宽度。

其中，所述介质覆盖层的折射率为1.0-3.8。