光波导及其传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光波导领域，尤其涉及一种光波导及其传感器。
【背景技术】
[0002] 表面等离激元（Surfaceplasmonpolaritons)是在金属表面区域的一种自由电 子和光子相互作用的形成的电磁模。表面电荷振荡与光波电磁场之间的相互作用使得表面 等离激元具有很多独特的性质。如图1所示，传统光波导的表面等离激元可沿金属层与电 介质层的分界面传输，其传输方向沿金属层与电介质层的分界面1的方向，传输过程中损 耗较高，传输距离很短。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型所要解决的技术问题是，提出一种光波导及其传感器，降低表面等离 激元传输过程中的损耗，增大其传输距离，提高传感器的灵敏度。本实用新型是这样实现 的：
[0004] 一种光波导，所述光波导的横截面包括依次排列的金属层、低折射率电介质层、高 折射率电介质层；
[0005] 所述高折射率电介质层的厚度比所用光的波长大100倍以上。
[0006] 进一步地，所述低折射率电介质层为气体或液体。
[0007] 进一步地，所述低折射率电介质层为水。
[0008] 进一步地，所述高折射率电介质层为磷化稼，所述金属层为银，所述低折射率电介 质层为气体。
[0009] 一种传感器，所述传感器以如上所述的任意一种光波导作为敏感部。
[0010] 与现有技术相比，本实用新型提出的光波导通过区别于传统光波导的特殊结构 可改变表面等离激元的模场分布，从而在模场宽度基本不变的条件下，大幅提高表面等离 激元的传输距离。将该光波导应用于折射率传感器及位移传感器，可极大地提高传感器的 灵敏度，其理论灵敏度可趋于无穷大，具有很高应用价值。
【附图说明】
[0011] 图1 :传统光波导结构示意图；
[0012] 图2 :本实用新型实施例提供的光波导结构示意图；
[0013] 图3a:本实用新型的一种光波导中的表面等离激元和传统光波导中表面等离激 元的模场分布图；
[0014] 图3b:本实用新型的另一种光波导中的表面等离激元和传统光波导中表面等离 激元的模场分布图；
[0015] 图4a:本实用新型的一种光波导中表面等离激元的损耗系数与低折射率电介质 层的折射率关系曲线及基于该光波导的传感器的折射率灵敏度与低折射率电介质层的折 射率的关系曲线；
[0016] 图4b:本实用新型的另一种光波导中表面等离激元的损耗系数与低折射率电介 质层的折射率关系曲线及基于该光波导的传感器的折射率灵敏度与低折射率电介质层的 折射率的关系曲线；
[0017] 图5a:本实用新型的一种光波导中表面等离激元的损耗系数与低折射率电介质 层厚度之间的关系曲线及基于该光波导的传感器的位移灵敏度与低折射率电介质层的厚 度的关系曲线；
[0018] 图5b:本实用新型的另一种光波导中表面等离激元的损耗系数与低折射率电介 质层厚度之间的关系曲线及基于该光波导的传感器的位移灵敏度与低折射率电介质层的 厚度的关系曲线。
【具体实施方式】
[0019] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本实用新型进行进一步详细说明。
[0020] 如图2所示，本实用新型提出了一种光波导，该光波导的横截面包括依次排列 的金属层2、低折射率电介质层3、高折射率电介质层4。此处所谓的低折射率电介质层 3与高折射率电介质层4是相对而言的，两个电介质层中，折射率较高的电介质层为高折 射率电介质层4,折射率较低的电介质层为低折射率电介质层3。本实用新型所提出的这 种光波导所产生的表面等离激元可称为变形表面等离激元（Modifiedsurfaceplasmon polaritons)，即通过特殊结构（本实用新型所述结构）的光波导改变表面等离激元的模场 分布，从而可在模场宽度（横磁场振幅降低为其峰值的i时对应的宽度）基本不变的条件 e 下，极
[0021] 大提高表面等离激元的传输距离。表面等离激元可以在多种结构的光波导中存 在，图2以平面结构的光波导为例进行介绍。该光波导中表面等离激元的损耗系数对处于 中间层的低折射率电介质层3的折射率及厚度均非常敏感，因而可用于高灵敏度传感器， 即传感器采用本实用新型的光波导作为敏感部。当低折射率电介质层3为气体时，可用于 高灵敏度气体传感器，当低折射率电介质层3为液体时，如水，可用于生物医学传感器。
[0022] 以下通过理论证明该种光波导为何能够获得比传统光波导更低的表面等离激元 损耗及更高的表面等离激元传输距离，以及基于该光波导的传感器为何能够获得比基于传 统光波导的传感器更高的灵敏度。
[0023] 光波导中表面等离激元的损耗与高折射率电介质层4外的空气也有一定关系，只 有当光波导中的高折射率电介质层4的厚度远大于所用光的波长时，高折射率电介质层4 外的空气对光波导中表面等离激元的损耗的影响才可忽略。比如，当高折射率电介质层4 的厚度比所用光的波长大两个数量级（相当于光的波长的100倍）以上时，高折射率电介 质层4外的空气对光波导中表面等离激元的损耗的影响就可忽略。
[0024] 为便于理解，先对下述公式中的参数进行解释高折射率电介质层4的折射 率、n2为低折射率电介质层3的折射率、n3为为金属层2的折射率，hi、h2、h3分别为不同介 质中与模场变化有关的参数，A是与表面等离激元功率相关的常数，x为与高/低折射率介 质分界面之间的距离，0为表面等离激元的复传播常数，|^为表面等离激元的复传播常数 的实部，02为表面等离激元的损耗系数，A为光波长，3为偏微分运算符，t为低折射率电 介质层3的厚度。
[0025]与传统光波导中表面等离激元类似，本实用新型的光波导中表面等离激元也是横 磁模，当其在本实用新型所提供的光波导中传输时，其横向磁场分布可表述为：
[0027]根据x= 0和x= _t处横向场的连续性条件可得如下的色散方程：
[0029] 本实用新型所提供的光波导中，外层的高折射率电介质层4可采用磷化稼，其在 波长为入= 659. 5nm时的折射率为ni= 3. 28,此时，金属层2可采用银，银的折射率为113 =0. 05-4. 483i，当低折射率电介质层3中所填电介质为折射率为n2= 1的气体，且低折 射率电介质层3的厚度为t= 1176nm时，由公式（2)可得其传播常数为0i-i0 2 = 9. 77X106-il. 66。由于该种光波导中表面等离激元和传统光波导中传统表面等离激元的 损耗系数分别为1. 66HT1和5706HT1，该种光波导中表面等离激元的传播距离是传统光波导 中表面等离激元传播距离的3436倍，该种光波导可用于气体传感器。由公式（1)可得该种 光波导中的表面等离激元和传统光波导中表面等离激元的模场分布如图3a所示。其中， 实线表示该种光波导中表面等离激元的模场分布，虚线表示传统光波导中表面等离激元的