片上中紅外銦鎵砷懸浮波導氣體傳感器研究

大多數氣體分子在中紅外光譜范圍（2.5~20 μm）內具有振動特征吸收峰，這一特性可應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和可調諧二極管激光吸收光譜法開展中紅外痕量氣體傳感系統研究。該類系統可以實現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元件。片上波導傳感器體積小、功耗低，更適用于環境檢測、生物檢測、臨床診斷和氣體測量等便攜應用。

據麥姆斯咨詢報道，近期，吉林大學集成光電子學國家重點聯合實驗室吉林大學實驗區與吉林省紅外氣體傳感技術工程研究中心組成的科研團隊在《光子學報》期刊上發表了以“片上中紅外銦鎵砷懸浮波導氣體傳感器”為主題的文章。該文章第一作者為王雪瑩，通訊作者為楊悅。

為了對比不同結構的中紅外InGaAs傳感波導的性能，本文設計了懸浮光子晶體波導和脊形波導，以一氧化碳（CO）為目標氣體，進行了理論研究。功率限制因子（PCF）反映了氣體與光的相互作用強度，為增大PCF，在保證導模傳輸條件下，對波導參數進行了優化，包括光子晶體波導的晶格常數、孔半徑、中心孔半徑和脊形波導的脊寬、條寬、脊高和條高。

光波導氣體傳感理論

通過仿真研究中紅外InGaAs傳感波導的氣體傳感性能。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。利用波導傳感器探測氣體時，目標氣體作為波導包層材料。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，實現氣體檢測。（相關理論公式已省略，有需要可查詢論文原文。）

器件設計

令目標氣體為CO，其基頻吸收帶位于4.6 μm附近?；诟叻直媛释干洌℉ITRAN）分子吸收數據庫，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的吸收在數據處理時僅為背景信息。純CO樣品在2172.75 cm?1處的吸收系數αgas為52.87 cm?1，這一系數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傳感器

光子晶體波導通過波導中心的小孔缺陷引導橫電（TE）模，借助慢光效應，可實現高檢測靈敏度。由于二維光子晶體波導中的光被全內反射限制在芯層，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，不足以實現芯層與襯底之間的全內反射約束。為確保傳導缺陷模式，刻蝕掉InP襯底以構建懸浮波導，使芯層與包層的折射率差值約為2.4。此時氣體可以分布在懸浮結構的上、下包層，與紅外光實現更強的相互作用。

傳感器結構設計與優化

InGaAs多孔光子晶體波導（HPCW）的3D示意圖如圖2（a）所示，采用六角形晶格空氣孔結構，晶格常數為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 多孔光子晶體波導結構及光場分布

光子晶體的能帶分布與其結構參數有關，利用Rsoft軟件和基于有限元法的COMSOL Multiphysics軟件對波導結構參數進行了設計和優化，包括孔半徑r、中心孔半徑rs、晶格常數a和波導長度L。首先優化平板結構，相關測試結果如圖3所示。多孔光子晶體波導晶格常數優化如圖4所示。

圖3 多孔光子晶體波導平板結構優化

圖4 多孔光子晶體波導晶格常數優化

優化總結

優化總結表1列出了最終優化的光子晶體波導參數。懸浮光子晶體波導的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域。HPCW中心孔的峰值電場強度如圖2（c）所示，中心孔中的峰值電場強度較其他行小孔增強約3.41倍。

表1 4.6025 μm波長處懸浮InGaAs多孔光子晶體波導傳感器的優化參數

中紅外懸浮脊形波導傳感器

傳感器結構設計與優化

中紅外懸浮脊形波導（RWG）傳感器的結構如圖6（a）所示，采用InGaAs作為下緩沖層和芯層。當工作波長為4.6025 μm、且滿足導模條件時，為了獲得較大的fPC，利用COMSOL軟件對波導結構參數進行優化，包括脊寬w?、平板層寬度w?、脊高h?、平板層厚度h?和波導長度L。

圖6 脊形波導結構及光場分布

優化總結

首先優化平板層的參數，相關結果如圖7所示。最終，脊形波導平板層參數選取為w? = 4 μm、h? = 405 nm。隨后優化脊的參數，相關結果如圖8所示。表2列出了最終優化的脊形波導參數。

圖7 脊形波導平板層結構優化

圖8 脊形波導脊結構優化

表2 4.6025 μm波長處的懸浮InGaAs脊形波導傳感器的優化參數

結果和討論

表3顯示了光子晶體波導和脊形波導之間的對比結果。HPCW只能引導TE模，因此需要偏振旋轉器才能將其與TM偏振的量子級聯器件集成。RWG支持TM偏振光，集成時不需要偏振旋轉器，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長度更長，進而可提高氣體傳感器靈敏度。

表3 懸浮InGaAs多孔光子晶體波導和懸浮InGaAs脊形波導的比較

結論

本文采用CO作為目標氣體，使用InGaAs-InP平臺進行懸浮光子晶體波導和脊形波導的模擬設計。在單模傳輸條件下優化了波導參數，以達到更高的功率限制因子。優化后，懸浮光子晶體波導和脊形波導的功率限制因子分別為250.69%、115.65%。計算波導損耗分別為27.5 dB/cm和3 dB/cm時，確定了兩種波導的最佳波導長度分別為72 μm和162 μm。當SNRmin為10時，兩種傳感器的檢測下限分別為9.13×10??和8.51×10??。對比了設計的兩種傳感器性能，討論了它們與TM偏振器件集成的可能性以及波導傳輸損耗對波導傳感性能的影響。

論文鏈接：

DOI: 10.3788/gzxb20235210.1052414