專利名稱：短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光電子技術領域，具體涉及短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構。
背景技術：
表面等離子體波(Surface plasmon polarition, SPP)是一種沿金屬和介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ碾姶艌觥Ｈ鐖DI所示，I為金屬(或金屬和介質(zhì)的混合物)，2為金屬周圍的介質(zhì)，3 為一個界面處的表面等離子體波。當金屬膜較薄時，上下表面等離子體波將發(fā)生耦合，生成兩種新的表面等離子體波模式，見圖2所不。其中一種模式為反對稱模式，如圖2中5所不，其模場較一般SPP波更趨附于金屬，傳播損耗較大，只能沿金屬薄膜傳播很短一段距離，被稱為短程表面等離子體波(short range surface plasmon polarity, SRSPP)。當金屬波導和介質(zhì)波導距離足夠近，在一定的條件下，介質(zhì)波導模式將與SRSPP發(fā)生f禹合。由于SPP的場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很強， 對于表面的形態(tài)，特別是折射率的變化非常敏感，在生化傳感器領域有廣泛的應用前景。而短程SPP波較一般的SPP波，波場更加高度趨膚于金屬表面，其模式特性對金屬薄膜周圍超薄范圍內(nèi)的介質(zhì)折射率變化非常敏感，當金屬膜上方超薄層物質(zhì)的折射率發(fā)生變化時(大多數(shù)生物反應屬于此類超薄層反應)，短程表面等離子體波模式與介質(zhì)波導模式的耦合將發(fā)生明顯變化，從而引起介質(zhì)波導輸出功率的劇烈變化。這為實現(xiàn)超薄層物質(zhì)折射率的高精度檢測提供了新的途徑。傳統(tǒng)的棱鏡型表面等離子體波生化傳感器體積大、調(diào)節(jié)困難，而且對超薄層物質(zhì)探測靈敏度低，穩(wěn)定性差，成本高，嚴重限制了其推廣應用。而傳統(tǒng)的波導型表面等離子體波生化傳感器，也具有可傳感范圍較窄等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，以實現(xiàn)超薄層介質(zhì)折射率的可調(diào)傳感范圍實時檢測，在保證高靈敏度、穩(wěn)定性的同時， 解決了傳統(tǒng)的波導型表面等離子體波折射率檢測方法傳感范圍小的問題。所述耦合結構包括介質(zhì)襯底層，以及位于介質(zhì)襯底上的至少兩個耦合結構。所述耦合結構包括介質(zhì)波導層，所述介質(zhì)波導層位于所述介質(zhì)襯底層上；以及短程表面等離子體波導層，所述短程表面等離子體波導層位于所述介質(zhì)波導層上。其中，至少一個所述耦合結構的短程表面等離子體波導層與另一個所述耦合結構的短程表面等離子體波導層具有不同厚度。其中，至少一個所述耦合結構的介質(zhì)波導層與另一個所述耦合結構的介質(zhì)波導層具有不同寬度。其中，至少兩個所述耦合結構具有相同厚度的短程表面等離子波導層和不同寬度的介質(zhì)波導層。
其中，至少一個所述耦合結構的短程表面等離子波導層與另一個所述耦合結構的短程表面等離子波導層具有相同厚度和不同長度。其中，至少兩個所述耦合結構的介質(zhì)波導層具有同一輸入端口和多個輸出端口。 進一步地，所述多個輸出端口具有不同寬度。其中，至少一個所述耦合結構的短程表面等離子波導層與另一個所述耦合結構的短程表面等離子波導層具有相同厚度和不同長度。其中，至少兩個所述耦合結構的短程表面等離子體波導層彼此相連接。其中，所述耦合結構還包括位于所述短程表面等離子體波導層之上的介質(zhì)覆蓋層。進一步地，至少兩個所述耦合結構的介質(zhì)覆蓋層彼此相連接。其中，所述耦合結構還包括位于所述介質(zhì)波導層之上、所述短程表面等離子體波導層之下的耦合匹配層。其中，所述介質(zhì)波導層的折射率大于所述襯底介質(zhì)層的折射率，所述耦合匹配層的折射率小于所述介質(zhì)波導層的折射率。其中，所述介質(zhì)波導層的折射率的選擇使得該介質(zhì)波導TM偏振態(tài)的基模的等效折射率與該短程表面等離子體波的等效折射率相等。其中，所述介質(zhì)波導層的折射率為I. 2-3. 8，所述介質(zhì)波導層的厚度為 10nm-5000nm,所述介質(zhì)波導層寬度為2 μ m-20 μ m。其中，所述耦合匹配層的厚度為O. 01 μ m- ο μ m,所述耦合匹配層的折射率為
I.2_3· 8ο其中，所述短程表面等離子體波導層為金屬層，例如，為金、銀、鋁、銅、鐵、鉻、鎳、 鈦中的一種或者幾種組成的合金。其中，所述短程表面等離子體波導層的厚度為10nm-100nm，所述短程表面等離子體波導層的長度為50 μ m-200 μ m。具有相同厚度的短程表面等離子體波導層所對應的介質(zhì)波導可具有不同的寬度。其中，所述介質(zhì)覆蓋層的折射率為I. 0-3. 8。其中，所述耦合匹配層厚度大于使介質(zhì)波導與短程表面等離子體波耦合發(fā)生截止的臨界厚度。其中，所述短程表面等離子波導層上除所述介質(zhì)覆蓋層外還可以設置有折射率待探測層。當折射率待探測層折射率發(fā)生變化時，介質(zhì)波導TM模式和短程表面等離子體波的耦合效率發(fā)生改變，通過測定介質(zhì)波導輸出功率的變化來檢測該短程表面等離子體波導層表面上方折射率待探測層折射率的變化。其中，所述折射率待探測層折射率的微小變化包括由生物反應或是物理、化學作用引起的該折射率待探測層的折射率微小變化。其中，通過調(diào)整所述短程表面等離子體波導層厚度可大范圍調(diào)節(jié)所能探測的該折射率待探測層的折射率范圍；通過調(diào)整所述介質(zhì)波導寬度可小范圍調(diào)節(jié)所能探測的該折射率待探測層的折射率范圍。其中，所述傳感器所能探測的折射率待探測層的厚度為所使用波長的1/15至500 微米。本發(fā)明所提供的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，對于其中具有特定寬度的介質(zhì)波導和特定厚度與長度的短程表面等離子體波導的垂直傳感單元， 傳感中心的位置是確定的。典型地，該短程表面等離子體波導為金屬波導。如果此時僅改變單元中介質(zhì)波導的寬度，由于介質(zhì)波導傳播的介質(zhì)模式傳播常數(shù)的輕微改變，將導致傳感中心位置出現(xiàn)輕微移動；如果僅改變單元中金屬波導的厚度，由于金屬波導傳播的短程 SPP模式傳播常數(shù)的劇烈改變，將導致傳感中心位置出現(xiàn)大范圍的移動，此時，為了達到更好的能量耦合效果，金屬波導長度(即耦合長度)也要進行相應改變。因此，在保證薄層物質(zhì)折射率的高精度檢測的同時，本專利解決了傳統(tǒng)檢測方法的體積大、調(diào)節(jié)困難、穩(wěn)定性差、可檢測范圍小的問題。


圖I和圖2為表面等離子體波的概念圖；圖3是短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構的一個典型實施例的立體示意圖；圖4是圖3的截面圖；圖5是本發(fā)明的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構的一個典型實施例的立體不意圖；圖6是本發(fā)明的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構的輸出功率隨待探測物質(zhì)折射率的變化關系圖；圖7是短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構的另一個典型實施例的立體示意圖；圖8是短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構另一個典型實施例的輸出功率隨待探測物質(zhì)折射率的變化關系圖；圖9是短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構的又一個典型實施例的立體示意圖；圖10是短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構又一個典型實施例的輸出功率隨待探測物質(zhì)折射率的變化關系圖；圖11是短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構的再一個典型實施例的立體示意圖。圖中1、金屬(或金屬和介質(zhì)的混合物)；2、金屬周圍介質(zhì)；3、界面處的表面等離子體波；4、長程表面等離子體波；5、短程表面等離子體波；6、短程表面等離子體波導層；7、 介質(zhì)波導層；8、耦合匹配層；9、介質(zhì)覆蓋層；10、介質(zhì)襯底層；11、待探測物質(zhì)層。
具體實施例方式以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。實施例I :圖5所示為短程表面等離子體波導和介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構一實施例的結構圖。在本實施例中，選擇介質(zhì)襯底層10的材料為SiO2，介質(zhì)波導層7的材料為Si3N4,短程表面等離子體波導層6的材料為Au，介質(zhì)覆蓋層9的材料為SiO2,耦合匹配層8的材料為Si02。在介質(zhì)襯底層10上通過濺射或蒸鍍和光刻的方法制作出寬度為2.5 μ m-5 μ m, 180nm厚的Si3N4條7，一層I. 5 μ m厚的SiO2耦合匹配層8后，在其上濺射一層15nm_30nm厚,長度為30 μ m-150 μ m的Au膜6,最后覆蓋一層2 μ m的SiO2作為介質(zhì)覆蓋層9。短程表面等離子體波導層6 (即金膜)6正上方除介質(zhì)覆蓋層9外還存在待探測物質(zhì)層11，待探測物質(zhì)層11的折射率隨物理的(溫度、濕度、壓力、電磁場等)或生物、化學的因素(生化反應)發(fā)生變化時，從下邊的介質(zhì)臂耦合到上邊金膜的能量將隨著金膜6上方待探測物質(zhì)11的折射率變化而發(fā)生變化。由于待探測物質(zhì)層11的折射率將影響介質(zhì)波導的TM模式和短程表面等離子體波之間的耦合，進而影響介質(zhì)波導7的TM輸出功率的大小， 所以通過測定該介質(zhì)波導7輸出功率的變化可以檢測該金膜6表面上方待探測物質(zhì)11的折射率變化。所述待探測物質(zhì)層11的折射率的微小變化可以是等效厚度的抗體、抗原等生物反應引起的，或是物理、化學等作用引起的該待探測物質(zhì)層11的折射率微小變化。通過調(diào)整所述金膜6厚度可大范圍調(diào)節(jié)所能探測的該待探測物質(zhì)層11的折射率范圍；通過調(diào)整所述介質(zhì)波導寬度可小范圍調(diào)節(jié)所能探測的該待探測物質(zhì)層11的折射率范圍。由于短程表面等離子體波模場高度趨附于金膜6表面，能夠有效地感知金膜6周圍較薄范圍內(nèi)的折射率變化，因此當待探測物質(zhì)層11為一薄層物質(zhì)時傳感靈敏度依然很高，該待探測物質(zhì)層 11的厚度可薄至IOOnm以下。例如，當短程表面等離子體波導和介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構中某個傳感單元中金膜6的厚度為22nm，長度為110 μ m，介質(zhì)波導7的寬度為3. 5 μ m，待探測物質(zhì)層 11厚度為300nm時,輸入光波長為1550nm時,介質(zhì)波導7的輸入為OdB條件下,從介質(zhì)波導 7輸出的功率Ptjut隨待探測物質(zhì)層11的折射率ndrt變化的關系如圖6中曲線F所示，可見， 根據(jù)介質(zhì)波導7的輸出光強度的變化就可以獲知待探測物質(zhì)層11的折射率變化的信息， 此時傳感中心位置為I. 448 (黑線)；而當介質(zhì)波導7的寬度變?yōu)? μ m和4 μ m，介質(zhì)波導7 傳播的介質(zhì)模式的傳播常數(shù)出現(xiàn)輕微改變，因此傳感中心分別移至I. 445和I. 451，可見傳感中心隨介質(zhì)波導7的寬度出現(xiàn)輕微變化，如圖6中曲線E和曲線G所示，進一步減小介質(zhì)波導7的寬度到2. 5μπι時，傳感中心進一步移動至I. 442，如圖6中曲線D所示；當改變金膜6的厚度為20nm，長度為100 μ m，介質(zhì)波導7的寬度為3. 5 μ m時，短程表面等離子體波導6(即金膜6)的傳播的短程表面等離子體模式的傳播常數(shù)發(fā)生劇烈變化，因此傳感中心移至I. 417，出現(xiàn)了大范圍的移動，如圖6中曲線B所示，此時繼續(xù)改變介質(zhì)波導7的寬度分別為3 μ m和4μπι，傳感中心出現(xiàn)輕微移動至I. 413和I. 42，分別如圖6中曲線A和曲線C 所示。于是，通過設計不同的金屬膜厚度或介質(zhì)波導寬度，可以大范圍或精確地調(diào)整傳感中心位置，解決了傳統(tǒng)波導型SPP傳感器件傳感區(qū)域窄的問題。根據(jù)本發(fā)明的各實施例，介質(zhì)襯底層10可以是單一的介質(zhì)襯底，也可以是其他類型襯底上形成的一層能起到襯底作用的介質(zhì)層。介質(zhì)襯底層10還可以是疊層結構，即根據(jù)需要由多種襯底以疊層或其他適當方式組合而成。根據(jù)本發(fā)明的耦合陣列式結構包括位于介質(zhì)襯底層10上的至少兩個耦合結構， 每個耦合結構都包括介質(zhì)波導層7。各耦合結構的介質(zhì)波導層7之間可以是獨立的，即不互相連接，在各自入射端分別接收入射光源；也可以通過分光結構彼此存在連接關系，且存在連接關系的各介質(zhì)波導層7擁有共同的入射端以接收入射光源。在后一種情況中，一種典型的連接實施例如說明書附圖3所示，即各耦合結構的介質(zhì)波導層7具有同一輸入端口和多個輸出端口。
耦合匹配層8是可選的，其作用在于提高介質(zhì)波導7與短程表面等離子體波導層6 之間的耦合效率，增強傳感能力。因為介質(zhì)波導7的TM模式和短程表面等離子體波導層6 的短程表面等離子體模式之間的耦合效率決定于兩個模式之間模場的交疊積分，兩種模式的模場交疊面積越大而耦合效率就越高，所以耦合匹配層8厚度的選擇將決定兩種模式模場之間交疊積分的大小，從而進一步影響兩個模式之間的耦合效率。介質(zhì)覆蓋層9也是可選的。介質(zhì)覆蓋層9的引入使得待探測物質(zhì)層折射率的變化僅發(fā)生在短程表面等離子體波導6的正上方。因此，介質(zhì)波導7的輸入端和輸出端的模場均不會受到待探測物質(zhì)層11折射率變化的影響而發(fā)生模場泄露的現(xiàn)象，從而讓檢測結果更為準確。根據(jù)本發(fā)明的耦合陣列式結構包括位于介質(zhì)襯底層10上的至少兩個耦合結構， 每個耦合結構都包括短程表面等離子體波導層6。本說明書附圖3示出了各耦合結構的短程表面等離子體波導層6的一種實施方式。但本領域技術人員可以理解，各耦合結構的短程表面等離子體波導層6可以是如附圖3所示的彼此斷開的多個波導結構，也可以是彼此之間存在連接關系的結構，即形成連續(xù)的層結構，或者是若干個波導與層結構的適當組合。 如果兩個不同厚度的短程表面等離子體波導層6之間存是連續(xù)的，則其之間的過度可呈階躍、階梯或其他變化形式。但應注意到，如附圖3所示的各耦合結構的短程表面等離子體波導層6的實施方式能帶來好處，非連續(xù)的不同厚度的短程表面等離子波導層6具有有限的寬度，在エ藝制作方面可通過光刻、刻蝕、濺射等エ藝更好的控制厚度之間的階躍?！岸坛瘫砻娴入x子體波導層具有不同長度”，是指在入射光的傳播方向上，某兩個介質(zhì)波導7上覆蓋的短程表面等離子體波導層6延伸的長度不同。這包括短程表面等離子體波導層6是彼此斷開的多個波導結構，或者是彼此連接的連續(xù)短程表面等離子體波導層結構這兩種情況。與短程表面等離子體波導層6的情況類似，本說明書附圖3也僅示出了位于短程表面等離子體波導層6之上的介質(zhì)覆蓋層9的一種實施方式。介質(zhì)覆蓋層9可以是如附圖 3所示的彼此斷開的多個單獨結構，也可以是彼此之間存在連接關系的結構，即形成連續(xù)的層結構，或者是若干個單獨結構與層結構的適當組合。但應注意到，如附圖3所示的各耦合結構的介質(zhì)覆蓋層9的實施方式能帶來好處，在制作過程中，可通過等離子體增強化學氣相沉積法或磁控濺射等半導體エ藝在短程表面等離子體波導層6上方生長介質(zhì)覆蓋層，接著通過套刻、刻蝕等エ藝即可簡單的實現(xiàn)含短程等離子體波導層6上方的窗ロ的連續(xù)介質(zhì)覆蓋層9結構。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，至少ー個所述耦合結構的短程表面等離子波導層6與另ー個所述耦合結構的短程表面等離子波導層6具有相同厚度和不同長度。因為介質(zhì)波導 7的TM模式和短程表面等離子波導層6的短程表面等離子體模式之間的耦合效率與短程表面等離子體波導層6的長度有夫。當短程表面等離子體波導層6的長度剛好等于耦合長度吋，耦合效率最高，為了防止制作過程中出現(xiàn)的短程表面等離子體波導層6長度的エ藝誤差以及短程表面等離子波導層6厚度改變帶來的耦合長度的變化，所以本發(fā)明中設計了不同長度的短程表面等離子體波導層6，使得器件的耦合和傳感特性達到最佳。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，每ー個所述介質(zhì)波導層7的TM模式的等效折射率與對應的短程表面等離子體波導層6的短程表面等離子體波的等效折射率相等，所述耦合匹配層8的厚度大于使介質(zhì)波導TM模式與短程表面等離子體波模式耦合發(fā)生截止的臨界厚度。當折射率待探測層11折射率發(fā)生變化吋，介質(zhì)波導層6的TM模式和短程表面等離子體波導層6的短程表面等離子體波的耦合效率發(fā)生改變，通過測定介質(zhì)波導層7的輸出功率的變化來檢測所述折射率待探測層11折射率的變化。通過調(diào)整所述短程表面等離子體波導層6厚度可大范圍調(diào)節(jié)所能探測的該折射率待探測層11的折射率范圍；通過調(diào)整所述介質(zhì)波導層7的寬度可小范圍調(diào)節(jié)所能探測的該折射率待探測層11的折射率范圍。實施例2 圖7所示為短程表面等離子體波導和介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構的另一實施例的立體結構圖。在本實施例中，選擇介質(zhì)襯底層10的材料為SiO2，介質(zhì)波導層7的材料為Si3N4，短程表面等離子體波導層6的材料為Al，介質(zhì)覆蓋層9的材料為SiO2，耦合匹配層8的材料為Si02。在介質(zhì)襯底層10上通過濺射或蒸鍍和光刻的方法制作出寬度為
2.5 u m-5 u m, 146nm厚的Si3N4條7，ー層2 y m厚的SiO2耦合匹配層8后，在其上濺射ー層 15nm-30nm厚Al膜6，最后覆蓋ー層3iim得SiO2作為介質(zhì)覆蓋層。入射波長為1550nm吋， 介質(zhì)波導層7寬度分別為時。待測介質(zhì)層11的厚度仍為300nm,傳播傳方向長度為70i!m。輸出功率隨被探測物的折射率變化如圖8所示。此時傳感中心降至I. 35附近。實施例3 又一個短程表面等離子體波導和介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構的例子如下所述。入射波長為850nm吋，圖9所示為短程表面等離子體波導和介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構又ー實施例的結構圖。選擇介質(zhì)襯底層10的材料為SiO2，介質(zhì)波導層7的材料為PET (聚對苯ニ甲酸こニ酯)，短程表面等離子體波導層6的材料為Au，介質(zhì)覆蓋層9的材料為SiO2，耦合匹配層8的材料為Si02。在介質(zhì)襯底層10上通過濺射或蒸鍍和光刻的方法制作出寬度為10 u m-15 um,lum厚的有機材料PET條7，ー層I. 7 y m厚的SiO2耦合匹配層8后,在其上派射ー層30nm-35nm厚Au膜6,最后覆蓋ー層2 y m得SiO2作為介質(zhì)覆蓋層。當Au厚度為35nm時，待探測物質(zhì)層11厚度為300nm時，根據(jù)介質(zhì)覆蓋層9的輸出光強度的變化就可以獲知待探測物質(zhì)層11折射率變化的信息，此時傳感中心位置為I. 538， 如圖10中圓點曲線所示；而當將Au厚度改變?yōu)?3nm時，傳感中心移至I. 52，同時探測動態(tài)范圍増大，但靈敏度有所下降，如圖10中三角曲線所示；繼續(xù)減小Au厚度至30nm,傳感中心繼續(xù)向低折射率方向移動至I. 48，如圖10中方框曲線所示，且動態(tài)范圍繼續(xù)增大，靈敏度進一歩下降。實施例4 再一個短程表面等離子體波導和介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構的例子如下所述。入射光波長為633nm，圖11所示為短程表面等離子體波導和介質(zhì)波導混合耦合陣列式傳感結構再ー實施例的結構圖。在本實施例中，襯底層10的材料選擇為ー種折射率為
I.4的聚合物材料，介質(zhì)波導層7的材料為Al2O3,短程表面等離子體波導層6的材料為Ag， 介質(zhì)覆蓋層9的材料和耦合匹配層8的材料與襯底層10相同。在襯底上運用光刻及濺射或沉積的方法制作5 u m-10 u m寬、150nm厚的Al2O3條7。在Al2O3條上ー層250nm厚的與介質(zhì)襯底層10相同材料的聚合物作為耦合匹配層8并固化。隨后15nm-20nm厚的Ag膜濺射于稱合匹配層之上，最后在Ag膜6上ー層500nm厚的與介質(zhì)襯底層10相同材料的聚合物作為介質(zhì)覆蓋層9并固化，Ag膜6上方除介質(zhì)覆蓋層9外還存在水體環(huán)境下的50nm厚的待探測物質(zhì)層11，芯片傳播傳方向長度為SOym-lOOym。在該探測波長更短，待探測物質(zhì)層11更薄的情況下仍能獲得高的靈敏度，相應的傳感中心出現(xiàn)在I. 37附近。傳感芯片可采用CCD技術測試，如圖11所示。上述實施例中短程表面等離子體波導層所使用的Al、Au、Ag等金屬條可以換成銅、鈦、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)波導和介質(zhì)襯底層、介質(zhì)覆蓋層的介質(zhì)材料可換成樹脂材料、Si02、MgF2、A1203、Si> GaAs> InP等,但要求介質(zhì)波導層的折射率大于周圍介質(zhì)的折射率。當改變材料時，短程表面等離子體波導層所使用的金屬(或者金屬陶瓷)條和介質(zhì)波導層的幾何參數(shù)要做一定的調(diào)整。以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關技術領域的普通技術人員，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，因此所有等同的技術方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護范圍應由其權利要求限定。
權利要求
1.短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述耦合陣列式結構包括介質(zhì)襯底層；以及位于介質(zhì)襯底上的至少兩個耦合結構，所述耦合結構包括介質(zhì)波導層，所述介質(zhì)波導層位于所述介質(zhì)襯底層上；以及短程表面等離子體波導層，所述短程表面等離子體波導層位于所述介質(zhì)波導層上，其中，至少一個所述耦合結構的短程表面等離子體波導層與另一個所述耦合結構的短程表面等離子體波導層具有不同厚度。
2.如權利要求I所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，至少一個所述耦合結構的介質(zhì)波導層與另一個所述耦合結構的介質(zhì)波導層具有不問覽度。
3.如權利要求I所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，至少兩個所述耦合結構具有相同厚度的短程表面等離子波導層和不同寬度的介質(zhì)波導層。
4.如權利要求I所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，至少兩個所述稱合結構的介質(zhì)波導層具有同一輸入端口和多個輸出端口。
5.如權利要求4所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述多個輸出端口具有不同寬度。
6.如權利要求I所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，至少一個所述耦合結構的短程表面等離子波導層與另一個所述耦合結構的短程表面等離子波導層具有相同厚度和不同長度。
7.如權利要求I所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，至少兩個所述耦合結構的短程表面等離子體波導層彼此相連接。
8.如權利要求I所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述短程表面等離子體波導層厚度為10nm-100nm。
9.如權利要求I所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述短程表面等離子體波導層長度為50 μ m-200 μ m。
10.如權利要求I所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述介質(zhì)波導層的折射率為I. 2 3. 8。
11.如權利要求I所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述介質(zhì)波導層的厚度為IOnm 5000nm。
12.如權利要求I所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述介質(zhì)波導層的寬度為2 μ m-20 μ m。
13.如權利要求I所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述耦合結構還包括位于所述短程表面等離子體波導層之上的介質(zhì)覆蓋層。
14.如權利要求13所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，至少兩個所述耦合結構的介質(zhì)覆蓋層彼此相連接。
15.如權利要求13所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述耦合結構還包括位于所述介質(zhì)波導層之上、所述短程表面等離子體波導層之下的耦合匹配層。
16.如權利要求15所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述耦合匹配層的厚度為O. 01 μ m-10 μ m。
17.如權利要求15所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述耦合匹配層的折射率為I. 2 3. 8。
18.如權利要求15所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述介質(zhì)波導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。
19.如權利要求15所述的短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述介質(zhì)波導層的TM模式的等效折射率與所述短程表面等離子體波導層的短程表面等離子體波的等效折射率相等，所述耦合匹配層的厚度大于使所述介質(zhì)波導層的TM 模式與所述短程表面等離子體波模式耦合發(fā)生截止的臨界厚度。
20.如權利要求I所述的傳感器，其特征在于，短程表面等離子體波導層上方除所述介質(zhì)覆蓋層外設置有折射率待探測層，所述折射率待探測層的厚度為所使用波長的1/15至 100微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及短程表面等離子體波導與介質(zhì)波導混合耦合陣列式結構，其特征在于，所述耦合陣列式結構包括介質(zhì)襯底層，以及位于介質(zhì)襯底上的至少兩個耦合結構，所述耦合結構包括介質(zhì)波導層，所述介質(zhì)波導層位于所述介質(zhì)襯底層上；以及短程表面等離子體波導層，所述短程表面等離子體波導層位于所述介質(zhì)波導層上，其中，至少一個所述耦合結構的短程表面等離子體波導層與另一個所述耦合結構的短程表面等離子體波導層具有不同厚度。采用所述結構可實現(xiàn)大傳感區(qū)域的超薄物質(zhì)折射率的高靈敏度檢測芯片。
文檔編號G02B6/122GK102608699SQ20121000916
公開日2012年7月25日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權日2012年1月12日
發(fā)明者馮雪, 劉仿, 崔開宇, 張巍, 樊博宇, 黃翊東 申請人:清華大學