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片上中紅外銦鎵砷懸浮波導(dǎo)氣體傳感器研究

MEMS ? 來(lái)源:MEMS ? 2024-03-01 09:24 ? 次閱讀

大多數(shù)氣體分子在中紅外光譜范圍(2.5~20 μm)內(nèi)具有振動(dòng)特征吸收峰,這一特性可應(yīng)用于痕量氣體檢測(cè)和定量分析。人們通常圍繞氣室、傅里葉變換紅外光譜或光聲光譜方法、基于腔衰蕩光譜的自由空間光學(xué)和可調(diào)諧二極管激光吸收光譜法開(kāi)展中紅外痕量氣體傳感系統(tǒng)研究。該類系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)十億分之一甚至萬(wàn)億分之一的靈敏度,但這依賴于龐大的體積和昂貴的光學(xué)元件。片上波導(dǎo)傳感器體積小、功耗低,更適用于環(huán)境檢測(cè)、生物檢測(cè)、臨床診斷和氣體測(cè)量等便攜應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近期,吉林大學(xué)集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)與吉林省紅外氣體傳感技術(shù)工程研究中心組成的科研團(tuán)隊(duì)在《光子學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“片上中紅外銦鎵砷懸浮波導(dǎo)氣體傳感器”為主題的文章。該文章第一作者為王雪瑩,通訊作者為楊悅。

為了對(duì)比不同結(jié)構(gòu)的中紅外InGaAs傳感波導(dǎo)的性能,本文設(shè)計(jì)了懸浮光子晶體波導(dǎo)和脊形波導(dǎo),以一氧化碳(CO)為目標(biāo)氣體,進(jìn)行了理論研究。功率限制因子(PCF)反映了氣體與光的相互作用強(qiáng)度,為增大PCF,在保證導(dǎo)模傳輸條件下,對(duì)波導(dǎo)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,包括光子晶體波導(dǎo)的晶格常數(shù)、孔半徑、中心孔半徑和脊形波導(dǎo)的脊寬、條寬、脊高和條高。

光波導(dǎo)氣體傳感理論

通過(guò)仿真研究中紅外InGaAs傳感波導(dǎo)的氣體傳感性能。采用中紅外激光器和探測(cè)器,其中中紅外激光器為分布反饋量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL),波長(zhǎng)為4.6025 μm,最大輸出功率為40 mW,定義激光器輸出功率P? = 10?2 W。使用HgCdTe探測(cè)器探測(cè)激光功率。利用波導(dǎo)傳感器探測(cè)氣體時(shí),目標(biāo)氣體作為波導(dǎo)包層材料。部分光未被芯層限制,稱為消逝場(chǎng),消逝場(chǎng)與分析物相互作用,實(shí)現(xiàn)氣體檢測(cè)。(相關(guān)理論公式已省略,有需要可查詢論文原文。)

器件設(shè)計(jì)

令目標(biāo)氣體為CO,其基頻吸收帶位于4.6 μm附近?;诟叻直媛释干洌℉ITRAN)分子吸收數(shù)據(jù)庫(kù),在4602.5 nm波長(zhǎng)附近,濃度為100%的CO和2%的水蒸氣(H?O)的模擬吸收光譜如圖1所示,其中溫度T = 293 K、壓力P = 101325 Pa、光程L?? = 1 cm。水蒸氣在4.6 μm附近存在吸收,可以使用干燥劑(例如氯化鈣)消除水蒸氣對(duì)氣體樣品的影響,確保H?O的吸收在數(shù)據(jù)處理時(shí)僅為背景信息。純CO樣品在2172.75 cm?1處的吸收系數(shù)αgas為52.87 cm?1,這一系數(shù)將用于傳感器性能的理論分析。

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圖1 CO和H?O在4602.5 nm附近的吸收光譜

中紅外懸浮多孔光子晶體波導(dǎo)傳感器

光子晶體波導(dǎo)通過(guò)波導(dǎo)中心的小孔缺陷引導(dǎo)橫電(TE)模,借助慢光效應(yīng),可實(shí)現(xiàn)高檢測(cè)靈敏度。由于二維光子晶體波導(dǎo)中的光被全內(nèi)反射限制在芯層,為確保有較大的帶隙,芯層和包層之間的折射率差值至少為1.5。在InGaAs-InP 材料平臺(tái)上,在λ = 4.6025 μm處的折射率nInGaAs = ~ 3.4和nInP = ~ 3.1,不足以實(shí)現(xiàn)芯層與襯底之間的全內(nèi)反射約束。為確保傳導(dǎo)缺陷模式,刻蝕掉InP襯底以構(gòu)建懸浮波導(dǎo),使芯層與包層的折射率差值約為2.4。此時(shí)氣體可以分布在懸浮結(jié)構(gòu)的上、下包層,與紅外光實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的相互作用。

傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

InGaAs多孔光子晶體波導(dǎo)(HPCW)的3D示意圖如圖2(a)所示,采用六角形晶格空氣孔結(jié)構(gòu),晶格常數(shù)為a,并沿著Γ-K方向引入線缺陷。中紅外懸浮多孔光子晶體波導(dǎo)傳感器TE?模的光模場(chǎng)分布如圖2(b)所示,模場(chǎng)集中在缺陷孔附近。

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圖2 多孔光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及光場(chǎng)分布

光子晶體的能帶分布與其結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān),利用Rsoft軟件和基于有限元法的COMSOL Multiphysics軟件對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化,包括孔半徑r、中心孔半徑rs、晶格常數(shù)a和波導(dǎo)長(zhǎng)度L。首先優(yōu)化平板結(jié)構(gòu),相關(guān)測(cè)試結(jié)果如圖3所示。多孔光子晶體波導(dǎo)晶格常數(shù)優(yōu)化如圖4所示。

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圖3 多孔光子晶體波導(dǎo)平板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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圖4 多孔光子晶體波導(dǎo)晶格常數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化總結(jié)

優(yōu)化總結(jié)表1列出了最終優(yōu)化的光子晶體波導(dǎo)參數(shù)。懸浮光子晶體波導(dǎo)的TE?模的模場(chǎng)分布如圖2(b)所示,大部分光被限制在中心孔區(qū)域。HPCW中心孔的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度如圖2(c)所示,中心孔中的峰值電場(chǎng)強(qiáng)度較其他行小孔增強(qiáng)約3.41倍。

表1 4.6025 μm波長(zhǎng)處懸浮InGaAs多孔光子晶體波導(dǎo)傳感器的優(yōu)化參數(shù)

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中紅外懸浮脊形波導(dǎo)傳感器

傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

中紅外懸浮脊形波導(dǎo)(RWG)傳感器的結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示,采用InGaAs作為下緩沖層和芯層。當(dāng)工作波長(zhǎng)為4.6025 μm、且滿足導(dǎo)模條件時(shí),為了獲得較大的fPC,利用COMSOL軟件對(duì)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,包括脊寬w?、平板層寬度w?、脊高h(yuǎn)?、平板層厚度h?和波導(dǎo)長(zhǎng)度L。

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圖6 脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及光場(chǎng)分布

優(yōu)化總結(jié)

首先優(yōu)化平板層的參數(shù),相關(guān)結(jié)果如圖7所示。最終,脊形波導(dǎo)平板層參數(shù)選取為w? = 4 μm、h? = 405 nm。隨后優(yōu)化脊的參數(shù),相關(guān)結(jié)果如圖8所示。表2列出了最終優(yōu)化的脊形波導(dǎo)參數(shù)。

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圖7 脊形波導(dǎo)平板層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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圖8 脊形波導(dǎo)脊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

表2 4.6025 μm波長(zhǎng)處的懸浮InGaAs脊形波導(dǎo)傳感器的優(yōu)化參數(shù)

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結(jié)果和討論

表3顯示了光子晶體波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)之間的對(duì)比結(jié)果。HPCW只能引導(dǎo)TE模,因此需要偏振旋轉(zhuǎn)器才能將其與TM偏振的量子級(jí)聯(lián)器件集成。RWG支持TM偏振光,集成時(shí)不需要偏振旋轉(zhuǎn)器,可以減少總傳輸損耗和集成器件面積,制備過(guò)程更加簡(jiǎn)單。

懸浮HPCW具有高的群折射率值,因此可以有效減小光吸收路徑長(zhǎng)度,但是它具有更高的傳輸損耗,集成時(shí)不利于提高氣體傳感器靈敏度。懸浮RWG較低的傳輸損耗允許波導(dǎo)長(zhǎng)度更長(zhǎng),進(jìn)而可提高氣體傳感器靈敏度。

表3 懸浮InGaAs多孔光子晶體波導(dǎo)和懸浮InGaAs脊形波導(dǎo)的比較

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結(jié)論

本文采用CO作為目標(biāo)氣體,使用InGaAs-InP平臺(tái)進(jìn)行懸浮光子晶體波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)的模擬設(shè)計(jì)。在單模傳輸條件下優(yōu)化了波導(dǎo)參數(shù),以達(dá)到更高的功率限制因子。優(yōu)化后,懸浮光子晶體波導(dǎo)和脊形波導(dǎo)的功率限制因子分別為250.69%、115.65%。計(jì)算波導(dǎo)損耗分別為27.5 dB/cm和3 dB/cm時(shí),確定了兩種波導(dǎo)的最佳波導(dǎo)長(zhǎng)度分別為72 μm和162 μm。當(dāng)SNRmin為10時(shí),兩種傳感器的檢測(cè)下限分別為9.13×10??和8.51×10??。對(duì)比了設(shè)計(jì)的兩種傳感器性能,討論了它們與TM偏振器件集成的可能性以及波導(dǎo)傳輸損耗對(duì)波導(dǎo)傳感性能的影響。

論文鏈接:

DOI: 10.3788/gzxb20235210.1052414



審核編輯:劉清
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原文標(biāo)題:片上中紅外銦鎵砷懸浮波導(dǎo)氣體傳感器

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