CN204631285U - 光波导及其传感器 - Google Patents

Abstract

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。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。所述传感器以所述光波导作为敏感部。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。

Description

光波导及其传感器

技术领域

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

表面等离激元(Surface plasmon polaritons)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

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：

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；

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。

进一步地，所述低折射率电介质层为气体或液体。

进一步地，所述低折射率电介质层为水。

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。

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。

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

图1：传统光波导结构示意图；

图2：本实用新型实施例提供的光波导结构示意图；

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；

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；

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；

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；

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；

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

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。

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(Modified surface plasmon 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时对应的宽度)基本不变的条件下，极

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。

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。

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。

为便于理解，先对下述公式中的参数进行解释：n₁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，h₁、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，β为表面等离激元的复传播常数，β₁为表面等离激元的复传播常数的实部，β₂为表面等离激元的损耗系数，λ为光波长，为偏微分运算符，t为低折射率电介质层3的厚度。

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：

$H_y=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{Aexp}(-h_{1}x)& x>0\\ A[\cosh \left(h_{2}x\right)-\frac{n_2^2{h}_1}{n_1^2{h}_2}\sinh \left(h_{2}x\right)]& -t<x<0\\ A[\cosh \left(h_{2}t\right)+\frac{n_2^2{h}_1}{n_1^2{h}_2}\sinh \left(h_{2}t\right)]\exp \left[h_3(x+t)\right]& x<-t\end{array}\right.---\left(1\right).$ 其中，  $h_m^2={\left(\frac{{2\mathrm{\&pi;n}}_m}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^2-{\mathrm{\&beta;}}^2,$ 其中m＝1，2，3。

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：

$\exp \left({2h}_{2}t\right)=\frac{(n_1^2{h}_2-n_2^2{h}_1)(n_3^2{h}_2-n_2^2{h}_3)}{(n_1^2{h}_2+n_2^2{h}_1)(n_3^2{h}_2+n_2^2{h}_3)}---\left(2\right).$

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λ＝659.5nm时的折射率为n₁＝3.28，此时，金属层2可采用银，银的折射率为n₃＝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β＝β₁-iβ₂＝9.77×10⁶-i1.66。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1.66m^-1和5706m^-1，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模场分布。由图3a可以看出，传统光波导中表面等离激元的横向磁场振幅在x＝1000nm处已趋于零，而本实用新型光波导中表面等离激元的横向磁场振幅在x＝1000nm处还有大约峰值振幅的10％，且衰减很慢。

同样，当低折射率电介质层3中填充折射率为n₂＝1.33的液体，低折射率电介质层3的厚度为t＝648.1nm，所用光的波长为λ＝659.5nm时，该种光波导中表面等离激元的损耗系数为11.8m^-1，传统光波导中表面等离激元的损耗系数为14278m^-1，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的1210倍，该种光波导可用于生物传感器。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3b所示。根据图3b同样可以看出，传统光波导中表面等离激元的横向磁场振幅在x＝600nm处已趋于零，而本实用新型光波导中表面等离激元的横向磁场振幅在x＝600nm处还有大约峰值振幅的10％，且衰减很慢。

基于公式(2)，可以计算得到表面等离激元的损耗系数与低折射率电介质层3的折射率的关系曲线如图4a及图4b中的实线所示。由图4a及图4b可知，表面等离激元的损耗系数在给定范围内与低折射率电介质层3的折射率成正比。在本实用新型的光波导中，表面等离激元的损耗系数对低折射率电介质层3的折射率十分敏感，因而本实用新型的光波导可应用于高灵敏折射率传感器。如果采用如下公式来定义传感器的折射率灵敏度：

$S(\mathrm{\&lambda;},n_2)=({\&PartialD;\mathrm{\&beta;}}_2(\mathrm{\&lambda;},n_2)/{\&PartialD;n}_2)/{\mathrm{\&beta;}}_2(\mathrm{\&lambda;},n_2).$

在低折射率电介质层3厚度不变的情况下，传感器的折射率灵敏度与低折射率电介质层3的折射率的关系如图4a及图4b中虚线所示。由图4a及图4b可知，采用本实用新型光波导的传感器的折射率灵敏度可趋于无穷大，这主要是由于光波导中表面等离激元的损耗系数与低折射率电介质层3的折射率成线性关系且损耗系数可以趋于零。特别的地方是，采用本实用新型光波导的传感 器，其灵敏度可取不同的值，例如，如图4a所示，当低折射率电介质层3厚度t＝1176nm，低折射率电介质层3中填充折射率为n₂＝1的气体，所用光的波长λ＝659.5nm时，折射率灵敏度为S(λ,n)＝3.7×10⁴，在这种灵敏度下，仅仅2.7×10^-7的折射率变化便可以导致传输光强度1％的变化，从而可以被探测到。如图4b所示，当低折射率电介质层3的厚度t＝648.1nm，低折射率电介质层3中填充折射率为n₂＝1.33的液体，所用光的波长λ＝659.5nm时，折射率灵敏度为S(λ,n)＝10⁴，在这种灵敏度下，10^-6的折射率变化便可以导致传输光强度1％的变化，从而可以被探测到。

由图4a与图4b比较可知，对于不同厚度的低折射率电介质层3而言，折射率的零损耗点(损耗系数趋于零时低折射率电介质层3的折射率)是不同的。因而通过选取合适的低折射率电介质层3厚度，可以在不同折射率点上获得非常高的传感器折射率灵敏度。在高折射率电介质层4为磷化稼，所用光波长λ＝659.5nm，低折射率电介质层3的折射率范围从小于1到2.6时，都可使传感器获得非常高的折射率灵敏度。

基于公式(2)，还可计算出表面等离激元的损耗系数与低折射率电介质层3厚度之间的关系，如图5a及图5b中的实线所示。由图5a及图5b可知，本实用新型光波导中表面等离激元的损耗系数在给定范围内与低折射率电介质层3厚度成正比。特别是，本实用新型的光波导中表面等离激元的损耗系数对低折射率电介质层3的厚度也十分敏感，因而其可应用于高灵敏位移传感器。如果采用如下公式来定义传感器的位移灵敏度：

$S(\mathrm{\&lambda;},t)=({\&PartialD;\mathrm{\&beta;}}_2(\mathrm{\&lambda;},t)/\&PartialD;t)/{\mathrm{\&beta;}}_2(\mathrm{\&lambda;},t).$

在低折射率电介质层3折射率不变的情况下，传感器的位移灵敏度与低折射率电介质层3的厚度的关系如图5a及图5b中虚线所示。由图5a及图5b可见，采用本实用新型光波导的传感器的位移灵敏度也可趋于无穷大，这主要是由于本实用新型光波导中表面等离激元的损耗系数与低折射率电介质层3的厚度成线性关系且损耗系数可以趋于零。当低折射率电解质层中填充折射率为 n₂＝1的气体，低折射率电介质层3厚度为t＝1177nm时，传感器位移灵敏度为S(λ,t)＝1nm^-1，在该灵敏度下，0.01nm的位移变化便可以导致传输光强度1％的变化，从而可以被探测到。当低折射率电介质层3中填充折射率为n₂＝1.33的液体，低折射率电介质层3的厚度为t＝648.5nm时，传感器位移灵敏度为S(λ,t)＝2nm^-1，在该种灵敏度下，0.005nm的位移变化便可以导致传输光强度1％的变化，从而可以被探测到。

与前述类似，由图5a与图5b比较可知，对于不同折射率的低折射率电介质层3而言，厚度的零损耗点(损耗系数趋于零时低折射率电介质层3的厚度)是不同的。因而通过选取合适的低折射率电介质层3的折射率，可以在不同厚度点上获得非常高的传感器位移灵敏度。在高折射率电介质层4为磷化稼，所用波长λ＝659.5nm，低折射率电介质层3的厚度范围从104nm到1176nm时，都可使传感器获得非常高的位移灵敏度。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光波导，其特征在于，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；

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。

2.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述低折射率电介质层为气体或液体。

3.如权利要求2所述的光波导，其特征在于，所述低折射率电介质层为水。

4.如权利要求1所述的光波导，其特征在于，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。

5.一种传感器，其特征在于，所述传感器以权利要求1至4中任一权利要求所述的光波导作为敏感部。