片上中紅外銦鎵砷懸浮波導(dǎo)氣體傳感器研究

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、生物檢測、臨床診斷和氣體測量等便攜應(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器，其中中紅外激光器為分布反饋量子級聯(lián)激光器（QCL），波長為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探測器探測激光功率。利用波導(dǎo)傳感器探測氣體時(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，消逝場與分析物相互作用，實(shí)現(xiàn)氣體檢測。（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，在4602.5 nm波長附近，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。

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?模的光模場分布如圖2（b）所示，模場集中在缺陷孔附近。

圖2 多孔光子晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及光場分布

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)長度L。首先優(yōu)化平板結(jié)構(gòu)，相關(guān)測試結(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。

圖3 多孔光子晶體波導(dǎo)平板結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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中心孔的峰值電場強(qiáng)度如圖2（c）所示，中心孔中的峰值電場強(qiáng)度較其他行小孔增強(qiáng)約3.41倍。

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

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)長度L。

圖6 脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)及光場分布

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)。

圖7 脊形波導(dǎo)平板層結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圖8 脊形波導(dǎo)脊結(jié)構(gòu)優(yōu)化

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

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，制備過程更加簡單。

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)長度更長，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

結(jié)論

本文采用CO作為目標(biāo)氣體，使用InGaAs-InP平臺進(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)長度分別為72 μm和162 μm。當(dāng)SNRmin為10時(shí)，兩種傳感器的檢測下限分別為9.13×10??和8.51×10??。對比了設(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)傳輸損耗對波導(dǎo)傳感性能的影響。

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DOI: 10.3788/gzxb20235210.1052414