专利名称：短程表面等离子体波与介质导波耦合结构及在传感上的应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及光电子技术领域，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。
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。发明内容本发明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。本发明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。本发明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。本发明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。为了达到上述发明目的，本发明提供了 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。本发明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。本发明还提供了 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。本发明还提供了 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。本发明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。本发明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。
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是本发明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是本发明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是本发明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是本发明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是本发明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是本发明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；图14是本发明再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。图中1、金属(或金属和介质的混合物)；2、金属周围介质；3、 界面处的表面等离子体波；4、长程表面等离子体波；5、短程表面等 离子体波；6、金属波导；7、介质波导；8、耦合匹配层；9、介质缓 冲层；10、衬底；11、介质覆盖层；12、待探测薄膜物质；13、正电 极金属膜。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 本发明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。而且，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近或者相等。优选
地，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。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。所述金属层 的厚度为10nm-100nm,所述介质缓冲层的厚度为10nm-5000nm。所 述介质缓冲层的折射率为1.2-3.8，所述介质覆盖层的折射率为 1.2-3.8。所述耦合匹配层为均匀介质材料，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。优选地，所述耦合匹配层的厚度为O.lpm-l(Vm， 所述耦合匹配层的折射率为1.2-3.8。此外，介质波导TM偏振态模式 与短程表面等离子体波发生耦合的耦合长度为10pim-200(Him。
如图3所示为利用所述混合耦合结构的耦合器的核心波导结构 图。图中的金属波导(SRSPP)条6和介质条7垂直并列，在金属波导 条6和介质条7的宽度和厚度满足一定条件的情况下，由金属波导和介 质波导传导的模式的传播常数基本相等，通过调节中间耦合匹配层及 介质缓冲层的厚度，两模式将发生耦合，从而能量在金属波导条6和 介质条7之间转移。
在经过多个耦合长度后，由于SRSPP模式损耗较大，TM波的能 量将快速衰减。又因为金属条的SRSPP波导传导的是TM偏振模式， 所以介质波导模式和SRSPP波导的能量耦合只限于TM偏振，而对于 从介质条输入TE偏振波，不会耦合至金属臂，仍沿该介质条传输， 最终由介质波导输出。
因此，利用混和耦合器对两种偏振态光的不同的传输特性，可以 很容易地实现一种新型的起偏器。又由于其中有一个臂是金属条，除了作为SRSPP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，利用金膜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偏振光在两个臂之间的耦合，实现对TM偏振光输出的控制。
另一方面，当金属膜上方介质折射率发生变化时，从介质臂输出的光功率将发生变化，加上SRSPP模场高度趋肤于金属膜表面，能够有效地感知金属周围较薄范围内的折射率变化，为我们实现一种高灵敏度超薄介质折射率传感器提供了可能。此外，SRSPP模场特性受金属波导上下介质折射率差影响较大，即当金属薄膜上下介质折射率差较大时SRSPP模式会截止。因此，通过改变金属膜下方的介质缓冲材料层折射率或厚度，可改变SRSPP模式非截止的条件等效折射率及模场分布，同时也可改变介质波导模式与SRSPP模式的耦合效率，进而可以调整该传感器对金属上方的介质材料折射率的传感中心及动态范围。
图4所示为短程表面等离子体波导和介质波导混合耦合器的立体结构示意图。选择衬底材料10和覆盖层材料ll为SiO2，在衬底上通过溅射或蒸镀和光刻的方法制作出lm宽，220nm厚的Si3N4条7，材料均为Si02,厚度为1.2pm的耦合匹配层8和介质缓冲层9,以及2pm宽、15nm厚的Au条6。耦合器长50pm。当入射的TM (实线箭头)和TE(虛线箭头)光同时从下边的介质条7输入时，TM模能量将在十几至几十微米距离内迅速耦合到上边的金属波导中。而TE光则无法发生耦合，直接通过下边的介质条。因此，通过混合耦合器能在极短的距离内成功分离TM光和TE光，从而作为一种可高度集成的起偏器。如图5所示为图4的侧视图。
本实施例中的Au条可以换成银、铝、铜、钛、镍、铬、铁中的任何一种或者是它们的合金，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。介质波导条和衬底、覆盖层及介质缓冲层的介质材料可换成树脂材料、Si02、
MgF2、 A1203、 Si、 GaAs、 InP等，但要求介质波导条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。
图6所示为另一短程表面等离子体波导和介质波导混合耦合器的立体结构示意图。选择衬底介质材料10和覆盖层11为BCB(苯并环丁烯)，在其上通过溅射或蒸镀和光刻的方法制作出lpm宽、220nm厚的Si3N4条7，固化一层材料相同、lpm厚的耦合匹配层8和介质缓冲层9，在其上溅射2iam宽、15nm厚的Au条6。耦合器长20fmi。当金条6不加电的时候，下边的介质波导TM模式将转化为上面金条的SRSPP模式(如实线箭头所示)。当金条加电的情况下，由于导线发热使得周围树脂材料BCB在金条周围区域的折射率发生变化，从而使得SRSPP模式特性发生变化。在加电的情况下，入射光波不再耦合到SRSPP波导，而沿虛线箭头所示沿下边介质波导输出。因此，可以通过对金条加电来控制能量的输出。这时混合耦合器可以作为调制器或者分東器、偏振器使用。图7所示为图6的侧视图。
图8所示为另一短程表面等离子体波导和介质波导混合耦合器的立体结构示意图。选择衬底介质材料10为BCB,在其上通过溅射或蒸镀和光刻的方法制作出liam宽、220nm厚的Si3N4条7，固化一层材料相同、厚度为l)am的耦合匹配层8和介质缓冲层9，在其上溅射2pm宽、15nm厚的Au条6并接地，在Au条上方固化一层电光聚合物材料作为覆盖层ll，最后再镀一层Au膜13作为正电极。耦合器长20pm。当金条6与金膜13之间所加的电压变化时，覆盖层ll材料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模式与金条6的SRSPP模式的转化效率，进而改变介质波导功率输出。因此，可以通过对覆盖层加电压来控制功率的输出。这时混合耦合器可以作为调制器或者分束器、偏振器使用。如图9所示为图8的侧视图。图10所示为短程表面等离子体波导和介质波导混合耦合传感芯片结构图。选择衬底介质材料10为SiO2,在其上通过溅射或蒸镀和光
刻的方法制作出8pm宽、220nm厚的Si3N4条7， 一层1.5(im厚的Si02耦合匹配层8后，固化一层500nm厚的低折射率树脂材料9,在其上溅射一层30nm厚的Au膜6。芯片传播传方向长度为80|im。金膜上方为水体环境下的被探测物质，其折射率随物理的(温度、湿度、压力、电磁场等)或生物、化学的因素(生化反应)发生变化时，从下边的介质臂耦合到上边金膜的能量将随着金膜上方被探测物质的折射率变化而发生变化。由于介质覆盖层折射率将影响介质TM模式和短程表面等离子体波之间的耦合，进而影响介质波导TM输出功率的大小，所以通过测定该介质波导输出功率的变化可以检测该金属表面上方介质覆盖层折射率的变化。所述介质覆盖层折射率的微小变化可以是等效厚度的抗体、抗原等生物反应引起的，或是物理、化学等作用引起的该介质覆盖层的折射率微小变化。通过调整该介质缓冲层折射率和厚度可以调节所能探测的该介质覆盖层的折射率范围。由于短程表面等离子体波模场高度趋附于金属膜表面，能够有效地感知金属周围较薄范围内的折射率变化，因此当被检测介质为一薄层物质时传感灵敏度依然很高，该待测介质厚度可薄至100nm以下。
例如，当介质缓冲层材料CYTOP的折射率为1.42,被探测物ll厚度为300nm时，介质波导输入为OdBm条件下，从介质波导输出的功率随被探测物11的折射率变化的关系如图12中圆点曲线所示，可见，根据介质臂输出光强度的变化就可以获知被探测介质折射率变化的信息，此时传感中心位置为1.538;而当将缓冲层材料改为与衬底材料及耦合匹配层相同时即为1.444时，传感中心移至1.52,同时探测动态范围增大，但灵敏度有所下降，如图12中三角曲线所示；继续增大介质缓冲层材料折射率至1.46,传感中心继续向低折射率方向移动至1.48,如图12中方框曲线所示，且动态范围继续增大，灵敏度进一
13步下降。
本实施例中的Au条可以换成银、铝、铜、钛、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SiCb、 MgF2、 A1203、 Si、 GaAs、 InP等介质的混合物。介质波导
条和衬底、覆盖层及介质缓冲层的介质材料可换成树脂材料，Si02、MgF2、 A1203、 Si、 GaAs、 InP等，但要求介质条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。
短程表面等离子体波导和介质波导混合耦合传感的另一种情况如下所述。第7、 8、 10层与图10相同。第6层金膜厚度为15nm，第9层耦合匹配层折射率为1.38。待测介质层ll的厚度仍为300nm，传播传方向长度为70pm。输出功率随被探测物的折射率变化如图13所示。可见，此时传感中心降至1.38附近。
再一个短程表面等离子体波导和介质波导混合耦合传感的例子如下所述。入射光波长为633nm，衬底层IO的材料选择为 一种折射率为1.4的聚合物材料，在衬底上运用光刻及溅射或沉积的方法制作10frni宽、150nm厚的Al2O3条7。在Al2O3条上一层250nm厚的与第10层相同材料的聚合物作为耦合匹配层并固化，其上再固化一层厚度为50nm、折射率为1.36的树脂材料(CYTOP)作为缓冲层9。最后15nm厚的铝膜溅射于第9层之上，铝膜上方为水体环境下的50nm厚的待测物，芯片传播传方向长度为50pm。输出功率随被探测物的折射率变化如图14所示。在该探测波长更短，探测物更薄的情况下仍能获得高的灵敏度，相应的传感中心位于1.37附近。
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，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其权利要求限定。
权利要求
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率为1.0-3.8,所述 介质缓冲层的折射率为1.0-3.8。
10、 如权利要求9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。
11、 应用如权利要求1-10任一项所述混合耦合结构的混合耦合 器，其特征在于，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10pm-2000(im。
12、 应用如权利要求l-10任一项所述混合耦合结构的混合起偏 器，其特征在于，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。
13、 应用如权利要求1-10任一项所述混合耦合结构的TM偏振 调制器，其特征在于，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。
14、 如权利要求13所述的TM偏振调制器，其特征在于，所述 介质覆盖层釆用电光介质材料。
15、 应用如权利要求1-10任一项所述混合耦合结构的传感器， 其特征在于，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 率的变化来检测所述介质覆盖层折射率的变化。
16、 如权利要求15所述的传感器，其特征在于，介质覆盖层折 射率的微小变化包括由生物反应或是物理、化学作用引起的折射率微小变化。
17、 如权利要求15所述的传感器，其特征在于，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。
18、 如权利要求15所述的传感器，其特征在于，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。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01N21/41GK101556353SQ200810186418
公开日2009年10月14日 申请日期2008年12月16日 优先权日2008年12月16日
发明者万锐媛, 三浦羲胜, 丹羽大介, 雪 冯, 仿 刘, 大西大, 巍 张, 彭江德, 黄翊东 申请人:清华大学;罗姆公司