ケイ素

Jun 05, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12311 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

中赤外スペクトル範囲でのセンシングは、さまざまなガスの検出と監視にとって非常に望ましいものです。 私たちはここで、中赤外範囲内（3.5 ～ 10 μm）で動作する CMOS 互換のシリコンベースのセンサーを提案します。 シリコン材料は、プラズモニック共鳴を波長 3 μm にシフトするレベルまでドープされています。 センサーデバイスは、インライン長方形マイクロキャビティとスタブマイクロキャビティ共振器を備えています。 2 つの共振器の共振周波数/波長は、異なる設計寸法で研究されました。 2 つの共振器が近い周波数で共振するように設計されている場合、2 つの共振プロファイル間の干渉により、独特で鋭い線の形状を持つ興味深いファノ共振が励起されます。 ファノ共鳴は、強度が急激に変化するプロファイルのため、高感度の測定に役立ちます。 センサーは、有限差分要素法および 2D 有限差分時間領域法を使用して調査および分析されます。 このセンサーの性能は、6000 nm/RIU の高感度、353 の FOM、6.5 μm の動作波長付近で 0.45 dB の制限された挿入損失によって特徴付けられます。 さらに、ホルムアルデヒド CH2O ガスと亜酸化窒素 N2O ガスを、それぞれ波長 3.6 μm と 4.46 μm の強い吸収帯から同時に検出するセンサーを開発しました。

中赤外線センシングは、多くのガスが中赤外線範囲に吸収指紋を持っているため、通信、防衛、環境、産業モニタリングなどのさまざまな分野で応用されているため、特に重要です1,2。 光学センサーは、従来のシリコン Si フォトニック プラットフォームとプラズモニック プラットフォームという 2 つの主要なプラットフォームに基づいて開発されています3。 Si 構造には、CMOS と互換性があり、導波路損失が低いという利点がありますが、プラズモン構造の寸法ははるかに小さくすることができます。 さらに、プラズモニック構造は、金属 - 絶縁体 - 金属導波路、プラズモニック スロット、キャビティなどの小さな領域 4,5 で電磁場を強化し、閉じ込めるという興味深い特性を持っています。 一般的に使用される貴金属である Au および Ag の問題は、CMOS と互換性がないことに加えて、自由電子の密度が固定されており、プラズモニック共鳴周波数が固定されていることです。 逆に、ドープされた半導体6、7には、CMOS互換性とドーピング濃度によるプラズモニック共鳴周波数の調整可能性という利点があります8。

センサーの動作原理は、レーストラック共振器 9 やマッハ ツェンダー干渉計 10 などのさまざまな構成で実現される強力な光の共振効果と干渉効果に基づいています。 トロイダル 11、表面格子共鳴 12、連続体センサーの束縛状態 13 などの他の技術も調査されました。 ただし、センサーの性能を向上させる可能性がある中赤外線センシングにおける結合共振器の効果を研究したいと考えています。 2 つ以上の共振器を結合すると、ファノ共振 14、15、16、電磁誘導透過性、ボルマン効果 17 などの特殊な特性とスペクトル線形状が生じる可能性があります。

一般に、ファノ共鳴は、光波が物質と相互作用して、透過スペクトルに鋭いディップまたはピークを生成する集積フォトニクスで発生する現象です。 ファノ共鳴は、1961 年にイタリアの物理学者ウーゴ ファノによって初めて説明され 15、それ以来、量子ドット、プラズモニック ナノ粒子、フォトニック結晶などのさまざまな系で観察されています。

ファノ共鳴は、2 つの光路間の干渉から発生します。 1 つの経路には材料を通る光の直接透過が含まれ、もう 1 つの経路には材料内の個別の共鳴構造による光の散乱が含まれます。 これら 2 つの経路間の干渉は、建設的または破壊的な干渉効果を生み出し、伝送スペクトルに鋭いピークまたはディップを引き起こす可能性があります。 この効果は共振構造の特性に非常に敏感であり、さまざまなセンシングおよび信号処理アプリケーションに使用できます。