Кремний

Jun 05, 2023

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12311 (2023) Цитировать эту статью

246 Доступов

Подробности о метриках

Зондирование в среднем инфракрасном спектральном диапазоне крайне желательно для обнаружения и мониторинга различных газов. Настоящим мы предлагаем КМОП-совместимый датчик на основе кремния, который работает на волнах (3,5–10 мкм) в среднем инфракрасном диапазоне. Кремниевый материал легирован до уровня, который смещает его плазмонный резонанс до длины волны 3 мкм. Сенсорное устройство содержит линейный микрорезонатор прямоугольной формы и шлейфовый микрорезонатор. Резонансные частоты/длины волн двух резонаторов были исследованы при различных конструктивных размерах. Когда два резонатора предназначены для резонанса на близких частотах, интересный резонанс Фано с его четкой и четкой формой линии возбуждается из-за интерференции между двумя резонансными профилями. Резонанс Фано полезен для высокочувствительных измерений из-за его резкого изменения интенсивности. Датчик изучается и анализируется с использованием методов конечных разностей и двумерных методов конечной разности во временной области. Характеристики датчика характеризуются высокой чувствительностью 6000 нм/RIU, FOM 353 и ограниченными вносимыми потерями 0,45 дБ на рабочей длине волны 6,5 мкм. Кроме того, мы разрабатываем датчик для одновременного обнаружения формальдегида CH2O и закиси азота N2O по их сильным полосам поглощения на длинах волн 3,6 мкм и 4,46 мкм соответственно.

Зондирование в среднем инфракрасном диапазоне имеет особое значение из-за его применения в различных областях, таких как телекоммуникации, оборона, экологический и промышленный мониторинг, поскольку многие газы имеют признаки поглощения в среднем инфракрасном диапазоне1,2. Оптические датчики разрабатываются на основе двух основных платформ: традиционных кремниевых фотонных и плазмонных платформ3. В то время как Si-структуры обладают преимуществами совместимости с КМОП и низкими волноводными потерями, плазмонные структуры могут иметь гораздо меньшие размеры. Более того, плазмонные структуры обладают интересными свойствами усиления и ограничения электромагнитных полей в небольших областях4,5, таких как волноводы металл-изолятор-металл, плазмонные щели и полости. Проблема с широко используемыми благородными металлами Au и Ag заключается в том, что они имеют фиксированную плотность свободных электронов, что приводит к фиксированной частоте плазмонного резонанса, а также несовместимы с КМОП. Напротив, легированные полупроводники6,7 имеют преимущества совместимости с КМОП и возможности настройки частоты плазмонного резонанса в зависимости от концентрации легирования8.

Принципы работы датчиков основаны на сильных оптических резонансных и интерференционных эффектах, которые достигаются в различных конфигурациях, таких как резонаторы гоночной трассы9 и интерферометры Маха-Цендера10. Также были исследованы другие технологии, включая тороидальный11, поверхностный решеточный резонанс12 и датчики связанного состояния в сплошной среде13. Однако мы хотели бы изучить влияние связанных резонаторов на считывание в среднем инфракрасном диапазоне, что потенциально может улучшить производительность датчиков. Соединение двух или более резонаторов может привести к необычным свойствам и формам спектральных линий со специальными профилями, такими как резонанс Фано14,15,16, электромагнитно-индуцированная прозрачность и эффект Бормана17.

В общем, резонанс Фано — это явление, возникающее в интегрированной фотонике, где световые волны взаимодействуют с веществом таким образом, что возникают резкие провалы или пики в спектре пропускания. Резонанс Фано был впервые описан итальянским физиком Уго Фано в 1961 году15, и с тех пор он наблюдался в различных системах, включая квантовые точки, плазмонные наночастицы и фотонные кристаллы.

Резонанс Фано возникает в результате интерференции двух оптических путей. Один путь предполагает прямую передачу света через материал, а другой предполагает рассеяние света дискретной резонансной структурой внутри материала. Взаимодействие между этими двумя путями может вызвать конструктивный или деструктивный интерференционный эффект, приводящий либо к резкому пику, либо к провалу в спектре передачи. Этот эффект очень чувствителен к свойствам резонансной структуры и может использоваться для различных приложений измерения и обработки сигналов.