片上中红外铟镓砷悬浮波导气体传感器研究

大多数气体分子在中红外光谱范围（2.5~20 μm）内具有振动特征吸收峰，这一特性可应用于痕量气体检测和定量分析。人们通常围绕气室、傅里叶变换红外光谱或光声光谱方法、基于腔衰荡光谱的自由空间光学和可调谐二极管激光吸收光谱法开展中红外痕量气体传感系统研究。该类系统可以实现十亿分之一甚至万亿分之一的灵敏度，但这依赖于庞大的体积和昂贵的光学元件。片上波导传感器体积小、功耗低，更适用于环境检测、生物检测、临床诊断和气体测量等便携应用。

据麦姆斯咨询报道，近期，吉林大学集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区与吉林省红外气体传感技术工程研究中心组成的科研团队在《光子学报》期刊上发表了以“片上中红外铟镓砷悬浮波导气体传感器”为主题的文章。该文章第一作者为王雪莹，通讯作者为杨悦。

为了对比不同结构的中红外InGaAs传感波导的性能，本文设计了悬浮光子晶体波导和脊形波导，以一氧化碳（CO）为目标气体，进行了理论研究。功率限制因子（PCF）反映了气体与光的相互作用强度，为增大PCF，在保证导模传输条件下，对波导参数进行了优化，包括光子晶体波导的晶格常数、孔半径、中心孔半径和脊形波导的脊宽、条宽、脊高和条高。

光波导气体传感理论

通过仿真研究中红外InGaAs传感波导的气体传感性能。采用中红外激光器和探测器，其中中红外激光器为分布反馈量子级联激光器（QCL），波长为4.6025 μm，最大输出功率为40 mW，定义激光器输出功率P₀ = 10⁻² W。使用HgCdTe探测器探测激光功率。利用波导传感器探测气体时，目标气体作为波导包层材料。部分光未被芯层限制，称为消逝场，消逝场与分析物相互作用，实现气体检测。（相关理论公式已省略，有需要可查询论文原文。）

器件设计

令目标气体为CO，其基频吸收带位于4.6 μm附近。基于高分辨率透射（HITRAN）分子吸收数据库，在4602.5 nm波长附近，浓度为100%的CO和2%的水蒸气（H₂O）的模拟吸收光谱如图1所示，其中温度T = 293 K、压力P = 101325 Pa、光程Lₒₚ = 1 cm。水蒸气在4.6 μm附近存在吸收，可以使用干燥剂（例如氯化钙）消除水蒸气对气体样品的影响，确保H₂O的吸收在数据处理时仅为背景信息。纯CO样品在2172.75 cm⁻¹处的吸收系数αgas为52.87 cm⁻¹，这一系数将用于传感器性能的理论分析。

图1 CO和H₂O在4602.5 nm附近的吸收光谱

中红外悬浮多孔光子晶体波导传感器

光子晶体波导通过波导中心的小孔缺陷引导横电（TE）模，借助慢光效应，可实现高检测灵敏度。由于二维光子晶体波导中的光被全内反射限制在芯层，为确保有较大的带隙，芯层和包层之间的折射率差值至少为1.5。在InGaAs-InP 材料平台上，在λ = 4.6025 μm处的折射率nInGaAs = ~ 3.4和nInP = ~ 3.1，不足以实现芯层与衬底之间的全内反射约束。为确保传导缺陷模式，刻蚀掉InP衬底以构建悬浮波导，使芯层与包层的折射率差值约为2.4。此时气体可以分布在悬浮结构的上、下包层，与红外光实现更强的相互作用。

传感器结构设计与优化

InGaAs多孔光子晶体波导（HPCW）的3D示意图如图2（a）所示，采用六角形晶格空气孔结构，晶格常数为a，并沿着Γ-K方向引入线缺陷。中红外悬浮多孔光子晶体波导传感器TE₀模的光模场分布如图2（b）所示，模场集中在缺陷孔附近。

图2 多孔光子晶体波导结构及光场分布

光子晶体的能带分布与其结构参数有关，利用Rsoft软件和基于有限元法的COMSOL Multiphysics软件对波导结构参数进行了设计和优化，包括孔半径r、中心孔半径rs、晶格常数a和波导长度L。首先优化平板结构，相关测试结果如图3所示。多孔光子晶体波导晶格常数优化如图4所示。

图3 多孔光子晶体波导平板结构优化

图4 多孔光子晶体波导晶格常数优化

优化总结

优化总结表1列出了最终优化的光子晶体波导参数。悬浮光子晶体波导的TE₀模的模场分布如图2（b）所示，大部分光被限制在中心孔区域。HPCW中心孔的峰值电场强度如图2（c）所示，中心孔中的峰值电场强度较其他行小孔增强约3.41倍。

表1 4.6025 μm波长处悬浮InGaAs多孔光子晶体波导传感器的优化参数

中红外悬浮脊形波导传感器

传感器结构设计与优化

中红外悬浮脊形波导（RWG）传感器的结构如图6（a）所示，采用InGaAs作为下缓冲层和芯层。当工作波长为4.6025 μm、且满足导模条件时，为了获得较大的fPC，利用COMSOL软件对波导结构参数进行优化，包括脊宽w₁、平板层宽度w₂、脊高h₁、平板层厚度h₂和波导长度L。

图6 脊形波导结构及光场分布

优化总结

首先优化平板层的参数，相关结果如图7所示。最终，脊形波导平板层参数选取为w₂ = 4 μm、h₂ = 405 nm。随后优化脊的参数，相关结果如图8所示。表2列出了最终优化的脊形波导参数。

图7 脊形波导平板层结构优化

图8 脊形波导脊结构优化

表2 4.6025 μm波长处的悬浮InGaAs脊形波导传感器的优化参数

结果和讨论

表3显示了光子晶体波导和脊形波导之间的对比结果。HPCW只能引导TE模，因此需要偏振旋转器才能将其与TM偏振的量子级联器件集成。RWG支持TM偏振光，集成时不需要偏振旋转器，可以减少总传输损耗和集成器件面积，制备过程更加简单。

悬浮HPCW具有高的群折射率值，因此可以有效减小光吸收路径长度，但是它具有更高的传输损耗，集成时不利于提高气体传感器灵敏度。悬浮RWG较低的传输损耗允许波导长度更长，进而可提高气体传感器灵敏度。

表3 悬浮InGaAs多孔光子晶体波导和悬浮InGaAs脊形波导的比较

结论

本文采用CO作为目标气体，使用InGaAs-InP平台进行悬浮光子晶体波导和脊形波导的模拟设计。在单模传输条件下优化了波导参数，以达到更高的功率限制因子。优化后，悬浮光子晶体波导和脊形波导的功率限制因子分别为250.69%、115.65%。计算波导损耗分别为27.5 dB/cm和3 dB/cm时，确定了两种波导的最佳波导长度分别为72 μm和162 μm。当SNRmin为10时，两种传感器的检测下限分别为9.13×10⁻⁶和8.51×10⁻⁶。对比了设计的两种传感器性能，讨论了它们与TM偏振器件集成的可能性以及波导传输损耗对波导传感性能的影响。

论文链接：

DOI: 10.3788/gzxb20235210.1052414

审核编辑：刘清