利用微腔Fano共振实现硅基中红外片上气体传感器

中红外光谱传感对于不同气体的检测和监测是非常理想的。然而，研究人员期望探索耦合谐振器在中红外传感中的作用，这有望提高这种传感器的性能。

据麦姆斯咨询报道，近日，美国大学开罗分校（The American University in Cairo）的科研团队在Scientific Reports期刊发表了以“Silicon-based mid infrared on-chip gas sensor using Fano resonance of coupled plasmonic microcavities”为主题的论文。该论文的第一作者为Sherif M. Sherif，通讯作者为Mohamed A. Swillam。

这项研究报道了一种基于法诺（Fano）共振的中红外传感器，其在6.5 μm波长下灵敏度达到6000 nm/RIU，插入损耗为0.45 dB。研究人员首先分析了直列结构（in-line）矩形谐振腔的响应及其谐振曲线，随后研究了齿形（stub）谐振腔的光谱响应和共振频率阶数（resonance orders）。接着，研究人员将in-line和stub矩形谐振腔集成在同一器件；并对其进行优化，使其在接近频率下共振；同时还研究了这些耦合谐振腔的响应。最后，研究人员开发出在同一颗芯片上检测两种气体的传感器，这是通过激发与“CH₂O和N₂O气体在3.6 μm和4.46 μm中红外强吸收波段”对应的两个Fano共振来实现的。

这项研究工作利用掺磷的硅（Si）实现了中红外等离子体效应。如图1所示，在3 μm的蓝宝石衬底上刻蚀厚度220 nm的掺杂硅晶圆，以形成宽度100 nm的总线波导（bus waveguide）。在硅层中掺杂磷（掺杂浓度为5 × 10²⁰ cm⁻³），使其等离子体共振波长达到3 μm，从而在中红外光谱具有等离子体特性。研究人员利用基于有限元差分本征模（FDE）求解器的商用波导仿真软件计算了金属-绝缘体-金属总线波导的模态特性，结果如图2所示。此外，研究人员还研究了在4 μm - 10 μm的中红外波段受激等离子体模态的色散和传输损耗，结果如图3所示。

图1 基于Fano共振的传感器3D示意图

图2 等离子体槽的有效模态：（a）电场强度（对数刻度），（b）电场分量|Ex|（线性刻度）。

图3 受激等离子体模态的色散曲线

Fano共振是将离散的局部态与连续态耦合的结果。为了激发结构中的Fano共振，研究人员在同一结构上集成了in-line谐振腔与stub谐振腔，并对其进行了优化。如图4所示，在5.5 μm和6.5 μm波长下激发Fano共振，插入损耗为0.45 dB。图5显示了激发Fano共振时，谐振腔内的电场分布。

图4 在5.5 μm和6.5 μm波长下激发Fano共振

图5 激发Fano共振时，谐振腔电场分量Ex分布

许多气体在中红外波段有很强的吸收波段“指纹”。因此，为了检测这些气体，研究人员在目标气体的吸收波段激发高灵敏度的Fano共振。通过将in-line谐振腔与两个stub微腔相集成来设计传感器，可以实现不同气体的同时检测，如图6所示。CH₂O和N₂O分别在3.6 μm和4.46 μm波长下被检测，结果如图7所示。多气体传感器的传输光谱结果如图8所示。

图6 用于同时检测CH₂O和N₂O的基于Fano共振的传感器3D示意图

图7 （a）CH₂O和（b）N₂O气体的红外吸收光谱

图8 CH₂O和N₂O同时在3.6 μm和4.46 μm波长下的检测结果

综上所述，这项研究开发了一种中红外气体传感器，该传感器由掺杂硅层构成，硅层被蚀刻以形成等离子槽波导、in-line谐振腔和stub谐振腔。所使用的掺杂水平将硅的等离子体共振提升至3 μm，从而实现中红外波段的等离子体特性。研究人员分别研究了上述每种谐振腔的性能，随后将这些谐振腔集成在一起。在接近频率耦合时，由于in-line微腔的宽响应与stub腔的强烈共振相互干涉，从而激发了Fano共振。最后，研究人员测量了该传感器的灵敏度、FOM以及插入损耗等性能参数。

审核编辑：刘清