近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院的程振洲教授與劉鐵根教授課題組，設計了一種采用單波長激光檢測的石墨烯-硅基微環氣體傳感器件，成果以“Graphene-sensitized microring gas sensor probing with a single-wavelength laser”為題，發表2023年3月29日出版的《Optics Communications》上。

硅基光子集成回路(Photonic Integrated Circuits, PICs)是一個適用于研發氣體傳感芯片的光電集成平臺。過去研究表明，硅基光子氣體傳感器與傳統氣體傳感器相比具有抗電磁干擾、在復雜環境中工作穩定性好、可與其他電子或光子器件集成應用，在環境監測、呼吸分析以及工業安全等領域展現了巨大的應用潛力。同時，作為在中紅外（mid-IR）波段透明的材料，硅的低損耗窗口（1.1μm∽8 μm）包含了許多重要氣體分子（例如，CO，CO2，NO2等）的特征吸收波長。

其中，微環諧振腔（Micro-Ring Resonators, MRRs）是一類廣泛用于氣體傳感的硅基光子器件，具有體積小、魯棒性高、靈敏度高等優點。然而，過去基于微環諧振腔的氣體傳感器的研究通常受到測量設備（例如，可調諧激光器和光譜儀）的限制，導致開發單片集成的傳感器具有一定的挑戰性。

在本項工作中，研究者們設計了一種采用單波長激光檢測的石墨烯-硅基微環氣體傳感器件。該傳感器的示意圖如圖1a所示。在600 nm厚的硅-藍寶石晶圓（Silicon-on-Sapphire, SOS）上設計了半徑為25μm的微環諧振腔，石墨烯通過一層氧化鋁（Al2O3）的隔絕集成在硅基微環諧振腔上。4.5μm波長的單色光可以通過光柵耦合器與芯片耦合。圖1b顯示了石墨烯-硅基微環波導的截面圖，其中，電極可以用來調控波導中的自由載流子濃度，也可以通過外加電場來調控優化石墨烯的費米能級。

根據等離子體色散效應（Plasmon Dispersion Effect），通過調控波導中的自由載流子濃度，改變波導中光的相位，引起在特定波長下微環的透射強度發生變化。同時，石墨烯對氣體的吸附作用，也可以影響石墨烯的費米能級，從而改變波導中光的相位。通過數據采樣擬合，得到微環透射光強與氣體濃度、外加電場之間的關系?；谶@一原理，可以采用單波長激光檢測石墨烯-硅基微環諧振腔周圍的氣體濃度變化。微環俯視圖和諧振波長下的電場分布圖分別如圖1c和圖1d所示。

圖1.石墨烯-硅基微環氣體傳感器件的示意圖。（a）傳感器件的三維示意圖；（b）石墨烯-硅基波導截面圖；（c）石墨烯-硅基微環氣體傳感器件的俯視圖；（d）諧振波長下微環諧振腔的電場分布圖。

所設計的石墨烯-硅基微環氣體傳感器件的理論結果如圖2所示。圖2a為在不同NO2氣體濃度下，石墨烯-硅基微環諧振腔的歸一化透射率隨注入載流子濃度的變化。當氣體濃度分別設為10 ppm和20 ppm時，理論計算出氣體的濃度分別為9 ppm和19.4 ppm，靈敏度約為1.256*10-5RIU/ppm。

可以發現，計算結果與設定值基本一致。此外，我們還討論了Al2O3絕緣層厚度與檢測限（LOD）的關系，通過將Al2O3的厚度從10 nm增加到80 nm，氣體傳感器件的LOD將從3.9 ppm劣化到6 ppm，測量范圍則從3925 ppm增加到6040 ppm。這是由于隨著絕緣層厚度的增加，光與石墨烯的相互作用減少，氣體傳感器的靈敏度和LOD也隨之降低。

圖2.不同氣體濃度下，石墨烯-硅基微環諧振腔的歸一化透射率隨注入自由載流子濃度的變化。

審核編輯：劉清