利用微腔Fano共振實現(xiàn)硅基中紅外片上氣體傳感器

中紅外光譜傳感對于不同氣體的檢測和監(jiān)測是非常理想的。然而，研究人員期望探索耦合諧振器在中紅外傳感中的作用，這有望提高這種傳感器的性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，美國大學開羅分校（The American University in Cairo）的科研團隊在Scientific Reports期刊發(fā)表了以“Silicon-based mid infrared on-chip gas sensor using Fano resonance of coupled plasmonic microcavities”為主題的論文。該論文的第一作者為Sherif M. Sherif，通訊作者為Mohamed A. Swillam。

這項研究報道了一種基于法諾（Fano）共振的中紅外傳感器，其在6.5 μm波長下靈敏度達到6000 nm/RIU，插入損耗為0.45 dB。研究人員首先分析了直列結構（in-line）矩形諧振腔的響應及其諧振曲線，隨后研究了齒形（stub）諧振腔的光譜響應和共振頻率階數(shù)（resonance orders）。接著，研究人員將in-line和stub矩形諧振腔集成在同一器件；并對其進行優(yōu)化，使其在接近頻率下共振；同時還研究了這些耦合諧振腔的響應。最后，研究人員開發(fā)出在同一顆芯片上檢測兩種氣體的傳感器，這是通過激發(fā)與“CH?O和N?O氣體在3.6 μm和4.46 μm中紅外強吸收波段”對應的兩個Fano共振來實現(xiàn)的。

這項研究工作利用摻磷的硅（Si）實現(xiàn)了中紅外等離子體效應。如圖1所示，在3 μm的藍寶石襯底上刻蝕厚度220 nm的摻雜硅晶圓，以形成寬度100 nm的總線波導（bus waveguide）。在硅層中摻雜磷（摻雜濃度為5 × 102? cm?3），使其等離子體共振波長達到3 μm，從而在中紅外光譜具有等離子體特性。研究人員利用基于有限元差分本征模（FDE）求解器的商用波導仿真軟件計算了金屬-絕緣體-金屬總線波導的模態(tài)特性，結果如圖2所示。此外，研究人員還研究了在4 μm - 10 μm的中紅外波段受激等離子體模態(tài)的色散和傳輸損耗，結果如圖3所示。

圖1 基于Fano共振的傳感器3D示意圖

圖2 等離子體槽的有效模態(tài)：（a）電場強度（對數(shù)刻度），（b）電場分量|Ex|（線性刻度）。

圖3 受激等離子體模態(tài)的色散曲線

Fano共振是將離散的局部態(tài)與連續(xù)態(tài)耦合的結果。為了激發(fā)結構中的Fano共振，研究人員在同一結構上集成了in-line諧振腔與stub諧振腔，并對其進行了優(yōu)化。如圖4所示，在5.5 μm和6.5 μm波長下激發(fā)Fano共振，插入損耗為0.45 dB。圖5顯示了激發(fā)Fano共振時，諧振腔內的電場分布。

圖4 在5.5 μm和6.5 μm波長下激發(fā)Fano共振

圖5 激發(fā)Fano共振時，諧振腔電場分量Ex分布

許多氣體在中紅外波段有很強的吸收波段“指紋”。因此，為了檢測這些氣體，研究人員在目標氣體的吸收波段激發(fā)高靈敏度的Fano共振。通過將in-line諧振腔與兩個stub微腔相集成來設計傳感器，可以實現(xiàn)不同氣體的同時檢測，如圖6所示。CH?O和N?O分別在3.6 μm和4.46 μm波長下被檢測，結果如圖7所示。多氣體傳感器的傳輸光譜結果如圖8所示。

圖6 用于同時檢測CH?O和N?O的基于Fano共振的傳感器3D示意圖

圖7 （a）CH?O和（b）N?O氣體的紅外吸收光譜

圖8 CH?O和N?O同時在3.6 μm和4.46 μm波長下的檢測結果

綜上所述，這項研究開發(fā)了一種中紅外氣體傳感器，該傳感器由摻雜硅層構成，硅層被蝕刻以形成等離子槽波導、in-line諧振腔和stub諧振腔。所使用的摻雜水平將硅的等離子體共振提升至3 μm，從而實現(xiàn)中紅外波段的等離子體特性。研究人員分別研究了上述每種諧振腔的性能，隨后將這些諧振腔集成在一起。在接近頻率耦合時，由于in-line微腔的寬響應與stub腔的強烈共振相互干涉，從而激發(fā)了Fano共振。最后，研究人員測量了該傳感器的靈敏度、FOM以及插入損耗等性能參數(shù)。

審核編輯：劉清