专利名称：长程表面等离子体波与介质导波耦合结构及其应用的制作方法
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)l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 range surface 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，本发明釆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0.01pm 10^im。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5mn 100nm,所述介质缓冲层的厚 度为lnm 20(im。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。5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，所述介质覆盖层釆用电光介质材料。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。3、 本发明提供的应用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，灵敏性高，可由低的驱动电压将对输出功率进行 有效调制，功耗低、性能高。
图l、图2为表面等离子体波的概念图；图3为本发明的长程表面等离子体波与介质导波耦合结构的结构 示意图；图4、图5为本发明长程表面等离子体波与介质导波耦合结构金属 层与介质波导层结构示意图；图6、图7为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器结构示意图；图8为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器输出功率随被测物质折射率的变化关系图；图9为另 一个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器输出功率随被测物质折射率的变化关系图；图io、图ll为应用长程表面等离子体波与介质导波耦合结构的光电可变衰减器的结构示意图；图12、图13为应用本发明的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的结构示意图。图中1、金属(或金属和介质的混合物)；2、金属周围介质；3、 表面等离子体波；4、长程表面等离子体波；5、短程表面等离子体波； 6、金属层；7、介质波导层；8、耦合匹配层；9、介质缓冲层；10、 介质衬底层；11、介质覆盖层；12、金属电极。
具体实施方式
本发明提出的长程表面等离子体波与介质导波耦合结构及其应 用，结合附图和实施例详细说明如下。 实施例l本发明提供的长程表面等离子体波与介质导波耦合结构，如图4、 5所示，该结构由下至上包括介质衬底层IO,介质波导层7，耦合匹 配层8,以及形成于该耦合匹配层上的、用于传导长程表面等离子体 波的长程表面等离子体波导部分。其中，介质波导层7的折射率大于衬底介质层10的折射率，也大 于耦合匹配层8的折射率。介质波导层7的折射率的选择使得该介质波 导TM偏振态基模的等效折射率与该长程表面等离子体波的等效折射优选地，介质波导层7的折射率为1.2-3.8,厚度 为10nm-5000nm ;耦合匹配层8的折射率为1.2-3.8 ,厚度为 O.Ol(im-lO[xm。其中，长程表面等离子体波导部分由下至上依次分为介质缓冲 层9、金属层6和介质覆盖层11。金属层6为铂、金、银、铝、铜、铁、 铬、镍、钬中的一种或者几种组成的合金，也可以是金属陶瓷，即上 述金属和合金和Si02、 MgF2、 A1203、 Si、 GaAs、 InP等介质的混合物， 介质波导层7和介质衬底层10、介质覆盖层11及介质缓冲层9的介质材 料可为树脂材料、Si02、 MgF2、 A1203、 Si、 GaAs、 InP等。金属层6 的厚度为5nm-100nm，介质缓冲层9的厚度为10nm-20|im,介质覆盖 层11以及介质缓冲层9的折射率均为1.0-3.8。耦合匹配层8和介质缓冲 层9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。如图3所示，构成金属层(LRSPP波导)6的金属波导条，构成 介质波导层7的介质条，两条垂直排列。在调节两层的宽度和厚度满 足使LRSPP波导和介质波导传导模式的传播常数基本相等的情况 下，通过调节介质波导层7及介质缓冲层9的厚度，可以使LRSPP 模式和介质波导TM模式之间将发生耦合，从而能量在两层之间转 移。当金属层6上方介质折射率发生变化时，LRSPP模式的损耗和 模场特性将受金属层6上下介质层折射率差的影响，并且当金属层6 上下介质折射率差稍大时LRSPP模式会截止。而LRSPP的存在和特 性的变化将直接影响到介质波导TM模式和LRSPP模式之间的耦合， 进而会改变介质波导TM输出功率的大小。因此，通过测定该介质波 导输出功率的变化可以检测该金属层6上方的介质覆盖层11的折射 率变化。由于金属层6上下介质折射率非常接近时模式之间耦合效率 最大，因此，通过改变金属层6下方的介质缓冲层9材料的折射率可8以调整应用本发明的耦合结构的折射率传感器对金属层上方的介质 材料折射率的传感中心。另外，通过主动改变金属层上方介质的折射率还可以对介质波导TM模式进行控制。由于其中金属层6除了作为LRSPP波导外，还可以看作是电的金属导线。这样就可以通过对金属导线加电，利用金属层6周围介质的电光效应或热光效应等改变其折射率，从而控制 TM偏振光在两个层之间的耦合，实现对TM偏振光输出的控制。 实施例2如图6和图7所示为应用本发明的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结构图，该折射率传感器主要由上述耦合 结构构成。其中，介质衬底层IO材料为Si02,在介质衬底层10上通 过紫外光刻和化学气向沉积的方法制作的介质波导层7为2jim宽、 220nm厚的Si3N4条；耦合匹配层8和介质缓冲层9均为折射率为1.45 的Si02,总厚度为6pm;再通过紫外光刻和溅射的方法制作金属层6, 为5pm宽、640pm长、25nm厚的Al条。金属层6上方为待测物质，即介质覆盖层，当其折射率随物理的 (温度、湿度、压力、电磁场等)、化学的(生化反应)等因素发生 变化时，从下边的介质波导层7耦合到上边Al条的能量将随着Al 条上方被探测物质的折射率变化而发生变化。当波长为1.55|am、强度为OdBm的TM波从介质波导层7输入 时，输出功率P。ut随金属层6上方介质覆盖层ll折射率naet的变化如 图8所示。该折射率传感器的传感中心，即曲线中的最低点，位于 1.45附近，也就是位于介质缓冲层9折射率附近。在传感区域 1.444~1.446，传感灵敏度可达5xl0-7。本实施例中金属层6代表的Al条可以换成金、银、铜、钬、镍、 铬、铁中的任何一种或者是他们的合金，也可以是金属陶瓷条，即上 述金属和合金和Si02、 MgF2、 A1203、 Si、 GaAs、 InP等介质的混合物。介质波导层7和介质衬底层10、介质覆盖层11及介质缓冲层9的介质材料可换成树脂材料，Si02、 MgF2、 A1203、 Si、 GaAs、 InP等，但要求介质波导层7材料的折射率大于周围介质的折射率。当改 变材料时，金属(陶瓷)条和介质条的几何参数要做一定的调整。 实施例3如图6和图7所示为应用长程表面等离子体波与介质导波耦合结 构的折射率传感器结构图，该折射率传感器主要由上述结构构成。其 中，介质衬底层IO材料为Si02，在衬底上通过紫外光刻和化学气向 沉积的方法制作的介质波导层7，为5)im宽、120nm厚的Si3N4条； 耦合匹配层8为3|im厚的Si02;介质缓冲层9为4|am厚的折射率为 1.38的CYTOP树脂层；金属层6为20jim宽、1050pm长、30nm厚 的Au条。当金属层6上方介质覆盖层11的折射率随物理的(温度、湿度、 压力、电磁场等)、化学的(生化反应)等因素发生变化时，从下边 的介质波导层7耦合到上边金属成6的能量将随着金属层6上方介质 覆盖层11的折射率变化而发生变化。当波长为1.55pm、强度为OdBm的TM波从介质波导输入时， 输出功率P。ut随金属上方介质覆盖层11折射率ndet的变化如图9所示。 其传感中心，即曲线中的最低点，位于1.38附近，也就是位于介质 缓冲层9折射率附近。在传感区域1.380~1.382，传感灵敏度可达 6xl0-7。材料的其他选择与实施例2同。 实施例4如图6和图7所示为应用本发明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结构图。其中，介质衬底层IO的材料选择 为一种折射率为1.45的玻璃材料，在衬底上运用光刻及离子交换的 方法制作2pm宽i折射率为1.46介质波导层7;耦合匹配层8为lpm厚SiO"在其上沉积ljum厚、折射率为1.36的树脂材料作为介质缓 冲层9;金属层6为640pm长、30nm厚的Al膜。Al膜上方为0.5pm厚的介质覆盖层11，当其折射率随物理的(温 度、湿度、压力、电磁场等)、化学的(生化反应)等因素发生变化 时，从下边的介质波导层7耦合到上边Al膜的能量将随着金属膜上 方被探测物质的折射率变化而发生变化。当波长为0.633pm、强度为OdBm的TM波从介质波导输入时， 输出功率随金属上方介质探测层折射率的变化与图8、图9类似。所 不同的是，其传感中心，即曲线中的最低点，位于1.36附近，也就 是位于介质缓冲层折射率附近。在传感区域1.359~1.361，传感灵敏 度可达5xl0-7。材料的其他选择与实施例2同。 实施例5如图IO和图ll所示为应用本发明的长程表面等离子体波与介质 导波耦合结构的热光可变衰减器的基本结构。该热光可变衰减器主要 由上述耦合结构构成，其中介质衬底层10材料为Si02，在其上通过 溅射或蒸镀和光刻的方法制作出2nm宽、220nm厚的Si3N4条座位介 质波导层7,继续沉积一层6pm厚的Si02作为耦合匹配层8和介质 缓冲层9;在其上溅射金属层6为5pm宽、25nm厚的Al条，其长 度为1140pm;最后覆盖上10pm厚的折射率与Si02非常接近的折射率随温度变化的树脂材料作为介质覆盖层11。将波长为1.55pm、强度为0dBm的TM波从介质波导层7输入， 当金属层6不加电时，下边的介质波导TM模式将转化为上面Al条 的LRSPP模式(如实线箭头所示)。而当A1条加电的情况下，由于 导线发热使得周围介质覆盖层11在Al条周围区域的折射率发生变 化，从而使得LRSPP模式特性发生变化。在加电的情况下，入射光 波不再耦合到LRSPP波导，而沿虛线箭头所示沿下边介质波导输出。因此，可以通过对Al条加电来控制介质波导层7输出功率P喊的大 小。材料的其他选择与实施例2同。 实施例6如图12和图13所示为应用本发明的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的基本结构。该调制器主要由上述耦 合结构构成。其中，介质衬底层IO材料为Si02，在其上通过溅射或 蒸镀和光刻的方法制作出2pm宽、220nm厚的Si3N4条作为介质波导 层7,继续沉积 一层6pm厚的Si02作为耦合匹配层8和介质缓冲层9; 在其上溅射Al作为金属层6， 5pm宽、25nm厚、长度为1140pm; 然后覆盖上4pm厚的折射率与Si02非常接近的电光材料ll作为介质 覆盖层和Au膜作为金属电极12。将波长为1.55pm、强度为OdBm的TM波从介质波导层7输入。 当金属层6与Au膜金属电极12之间所加的电压变化时，介质覆盖 层11材料的折射率由于电光效应随之发生变化，从而改变下边的介 质波导TM模式与金属层6的LRSPP模式的耦合，进而改变介质波 导功率输出。因此，可以通过对介质覆盖层ll加调制电压来对介质 波导的输出功率进行强度调制。本实施例中的长程表面等离子体波与介质导波耦合结构还可以 作为调制器或者分東器、偏振器使用。材料的其他选择与实施例2同。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1、一种长程表面等离子体波与介质导波耦合结构，其特征在于，该结构由下至上分别为介质衬底层(10)、介质波导层(7)、耦合匹配层(8)和长程表面等离子体波导部分。
2、 如权利要求1所述的长程表面等离子体波与介质导波耦合结 构，其特征在于，所述介质波导层(7)的折射率大于所述介质衬底 层(10)和所述耦合匹配层(8)的折射率。
3、 如权利要求1所述的长程表面等离子体波与介质导波耦合结 构，其特征在于，所述介质波导层(7)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。
4、 如权利要求1所述的长程表面等离子体波与介质导波耦合结 构，其特征在于，所述介质波导层(7)的折射率为1.2~3.8，所述介 质波导层(7)的厚度为10nm 5000nm。
5、 如权利要求1所述的长程表面等离子体波与介质导波耦合结 构，其特征在于，所述耦合匹配层(8)的折射率为1.2 3.8,所述耦 合匹配层(8)的厚度为0.01jim~10|im。
6、 如权利要求1所述的长程表面等离子体波与介质导波耦合结 构，其特征在于，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(9)，金属层(6)，以及介质覆盖层(11)。
7、 如权利要求6所述的长程表面等离子体波与介质导波耦合结 构，其特征在于，所述金属层(6)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。
8、 如权利要求6所述的长程表面等离子体波与介质导波耦合结 构，其特征在于，所述金属层(6)的厚度为5nm 100nm，所述介质 缓冲层(9)的厚度为lnm 20pm。
9、 如权利要求6所述的长程表面等离子体波与介质导波耦合结构，其特征在于，所述介质缓冲层(9)的折射率为1.0 3.8，所述介 质覆盖层(11)的折射率为1.0 3.8。
10、 如权利要求6所述的长程表面等离子体波与介质导波耦合结 构，其特征在于，所述耦合匹配层(8)与所述缓冲介质层(9)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。
11、 一种应用权利要求1-10任一项所述的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，其特征在于，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(IO)， 介质波导层(7),耦合匹配层(8)，长程表面等离子体波导部分。
12、 如权利要求ll所述的折射率传感器，其特征在于，通过调整 所述介质缓冲层(9)折射率和厚度来调节所能探测的所述介质覆盖 层(11)的折射率范围。
13、 一种应用权利要求1-10任一项所述的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，其特征在于，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(11)上覆盖有金 属电极(12)。
14、 如权利要求13所述的光电强度调制器，其特征在于，所述金 属电极(12)和长程表面等离子体波导部分中的金属层(6)间加调 制电压。
15、 如权利要求13所述的光电强度调制器调制器，其特征在于， 所述介质覆盖层(11 )釆用电光介质材料。
全文摘要
本发明涉及一种长程表面等离子体波与介质导波混合耦合结构，该结构包括介质衬底层(10)；位于该介质衬底层(10)上的介质波导层(7)；位于该介质导波层上的耦合匹配层(8)；以及形成于该耦合匹配层(8)上的、用于传导长程表面等离子体波的长程表面等离子体波导部分，该长程表面等离子波导部分进一步包括介质缓冲层(9)、金属层(6)、以及介质覆盖层(11)。应用上述混合耦合结构可实现可集成的、极高灵敏度、体积小、稳定性高的折射率传感器，以及高性能、低功耗的光电强度调制器。
文档编号G01N21/41GK101581814SQ20091013269
公开日2009年11月18日 申请日期2009年4月7日 优先权日2009年4月7日
发明者万锐媛, 三浦义胜, 丹羽大介, 仿 刘, 大西大, 彭江得, 黄翊东 申请人:清华大学;日本罗姆公司