片上中红外铟镓砷悬浮波导气体传感器

王雪莹，张哲宁，皮明权，彭子航，郑传涛，宋芳，杨悦，王一丁

（1 吉林大学 电子科学与工程学院 集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区，长春 130012）

（2 吉林省红外气体传感技术工程研究中心，长春 130012）

0 引言

近年来，中红外光子学在工业、军事和公共安全领域中的应用被广泛研究和报道。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［1］，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［2］。片上波导传感器体积小、功耗低，更适用于环境检测［3］、生物检测［4］、临床诊断［5］和气体测量［6］等便携应用。

到目前为止，用于中红外光子器件的几种低损耗材料平台，例如绝缘体上硅（Silicon-On-Insulator，SOI）、蓝宝石上硅（Silicon-On-Sapphire，SOS）、硅上锗（Germanium-On-Silicon，GOS）、锗（Ge）、Ge-GaAs、GaAs-AlGaAs 和InGaAs-InP，覆盖了波长λ=3～15 μm 的整个分子指纹吸收区域［2］。尽管硅（Si）在波长＜ 8.5 μm 时具有低吸收损耗［7］，但二氧化硅（SiO2）仅在3.6 μm 以下透明［8］，因此SOI 平台在中红外波段的吸收损耗较大［9］。InGaAs-InP 平台是非常适合作为中红外气体传感的波导材料。首先，InGaAs 和InP 材料在3～15 μm 波段近乎完全透明［3］；其次，中红外光源主要为量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，QCL），目前性能最好的室温中红外QCL 是基于InP 材料设计制造的［10］。

近年来，中红外波导集成与传感应用方面取得了显著进展。2019年，CHAKRAVARTY S 等［11］提出了一种InGaAs-InP 中红外气体传感平台，用于片上集成光子晶体波导、QCL 和量子级联探测器（Quantum Cascade Detector，QCD），但未开展气体实验。同年，JUNG S Y 等［12］实现了InGaAs-InP 脊形波导和QCL的集成，该激光器发射波长为4.6 μm。2020年，YOO K M 等［2］提出了用于中红外传感的悬浮光子晶体和亚波长光栅InGaAs-InP 波导平台，实现了QCL/QCD 和无源器件的集成，在6.15 μm 波长下，光子晶体波导和亚波长光栅波导对氨气（NH3）的检测下限分别为232×10-9和84×10-9。2021年，ALI R 等［13］设计了基于光子晶体的乙醇传感器，实现了光子晶体波导与QCL/QCD 的集成，传感器在3.4 μm 处的检测限达到250×10-9。同年，WANG Yuefeng 等［14］提出了一种硫系玻璃悬浮狭缝波导，在3.67 μm 波长下，对CH4检测下限为18.17×10-9。

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。在2 172.75 cm-1的吸收线处，对所设计的波导传感器进行优化和性能评估，包括灵敏度、最佳波导长度和检测下限。功率限制因子（Power Confinement Factor，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。

1 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QCL（Thorlabs，QD6500CM1），波长为4.602 5 μm，最大输出功率为40 mW，定义激光器输出功率P0=10-2W。使用HgCdTe 探测器（Thorlabs，PDA10JT）探测激光功率，噪声等效功率PNE=2.08×10-11W· Hz-1/2，带宽B=1.6×105Hz。

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。基于朗伯—比尔定律，波导的输出功率P可以表示为［15］

式中，P0为波导的输入功率，L为波导长度，fPC为功率限制因子，C为气体浓度，αgas为目标气体在相应波长处的吸收系数，αint为波导的传输损耗。

αint计算公式为

式中，Iin为波导的输入光强，Iout为波导的输出光强。

fPC可表示为［16］

式中，f为填充因子，表示待测气体空间中光功率的占比，即

式中，ε为介电常数，E为电场。

群折射率ng计算公式为

式中，Neff为有效折射率，λ为气体吸收波长。

波导传感器的灵敏度S，定义为由气体吸收引起的光强变化与气体浓度变化的比值，计算公式为［8］

随着L的增大，S先增大后减小，S有最大值，对应的长度L被定义为光波导的最佳长度Lopt。在Lopt下，波导损耗对光强衰减的影响比气体吸收更加明显，表示为［8］

当待测气体浓度达到检测下限CLoD时，即在可探测到的最低气体浓度水平处，输出功率降低到近似噪声水平，被定义为最小输出功率Pmin，写为［8］

基于直接吸收光谱的光波导气体传感器理论上只考虑探测器的噪声，探测器的噪声功率Pnoise为［8］

将SNRmin定义为光波导传感系统的最小可检测信噪比［8］，即

通过式（10）可以得到CLoD［8］

2 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（High Resolution Transmission，HITRAN）分子吸收数据库，在4 602.5 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=101 325 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［17］。纯CO 样品在2 172.75 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4 602.5 nm 附近的吸收光谱（T=293 K，P=101 325 Pa，L=1 cm），其中CO 浓度为100%，H2O 浓度为2%Fig.1 The simulated absorption spectra of CO and H2O near 4 602.5 nm（T=293 K，P=101 325 Pa，L=1 cm），where the CO concentration is 100% and the H2O concentration is 2%

2.1 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（Transverse Electric，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［3］。在InGaAs-InP 材料平台上，在λ=4.602 5 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。

2.1.1 传感器结构设计与优化

图2 多孔光子晶体波导结构及光场分布Fig.2 Structure and optical field of the HPCW

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。选取长度为一个周期的光子晶体，来优化平板厚度和孔半径。依据晶格常数a，对平板厚度和孔半径进行归一化处理。当r=0.27a，优化平板厚度hInGaAs。能带0 和1 之间的带隙和f随hInGaAs的变化曲线如图3（a）所示。随着hInGaAs增大，f呈减小趋势，但变化较小。当hInGaAs处于0.5～1.0 μm 范围内，带隙没有明显变化；当hInGaAs处于1.0～1.25 μm 范围内，带隙呈减小趋势；当hInGaAs大于1.25 μm 时，不存在带隙。带宽指在空气光线下导模的归一化频率最大值和最小值之差，随着hInGaAs增大，导模的归一化频率降低，可以获得更宽的带宽。考虑到获得更宽的带宽，选择hInGaAs=1.15 μm。当平板厚度为1.15 μm 时，进一步优化孔半径r。图3（b）显示，在能带0 和1 之间，当r=0.2a时开始出现带隙，带隙随着孔半径的增大，先增加再减小。当r达到0.27a附近时带隙达到最大，故取r=0.27a。

图3 多孔光子晶体波导平板结构优化Fig.3 Optimization of HPCW plate structure

随后优化缺陷孔的半径。当hInGaAs=1.15 μm、r=0.27a时，f和带宽随缺陷孔半径与孔半径的比值的变化曲线如图3（c）所示。随着比值增大，f增大，带宽先增大后减小，为保证较大的f和带宽，选取rs=0.6r。

当hInGaAs=1.15 μm、r=0.27a、rs=0.6r时，悬浮InGaAs HPCW 的色散图如图4（a）所示。图中虚线对应光子晶体波导的导模，箭头所指的实线表示目标气体折射率为nair=1.0。群折射率的大小将影响传感性能，过小的群折射率使传感器性能变差，但过大的群折射率会增大波导损耗。晶格常数a与ng之间的关系如图4（b）所示。选取群折射率ng为43.97，此时晶格常数a=1 018 nm。

图4 多孔光子晶体波导晶格常数优化Fig.4 Optimization of HPCW lattice constant

根据式（6）和（7），灵敏度相关因子S、最佳波导长度Lopt均和传输损耗αint有关。仿真得到优化后的光子晶体波导损耗αint=27.5 dB/cm，S与L的关系曲线如图5所示。最佳波导长度Lopt处对应S最大值，由此可以确定，当最佳波导长度Lopt=72 μm 时，最大灵敏度为S=3.51×10-7，此时通过式（11）得到CLoD为9.13×10-6。

2.1.3 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。六角形晶格的光子晶体波导的最佳参数：hInGaAs=1.15 μm、a=1 018 nm、r=0.27a、rs=0.6r、Lopt=72 μm。此时波导fPC=250.69%、CLoD=9.13×10-6。

表1 4.602 5 μm 波长处悬浮InGaAs 多孔光子晶体波导传感器的优化参数Table 1 Optimized parameters of the suspended InGaAs HPCW sensor at 4.602 5 μm

2.2 中红外悬浮脊形波导传感器

2.2.1 传感器结构设计与优化

中红外悬浮脊形波导（Ridge Waveguide，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。有效折射率Neff应满足导模条件nair＜Neff＜nInGaAs，芯层总厚度设置为780 nm。

图6 脊形波导结构及光场分布Fig.6 Structure and optical field of the RWG

当工作波长为4.602 5 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。

首先优化平板层的参数。考虑到实际制备中存在工艺误差，当波导的Neff接近1 时，模式可能变为泄露模，为避免这种情况，确定仿真参数的最小值对应的Neff在1.3附近。当w1=1 μm、h1=315 nm、h2=405 nm 时，优化w2。fPC和Neff随w2的变化曲线如图7（a）所示，随着w2的增大，Neff变大，fPC减小。较大的fPC代表较高的灵敏度，所以选择w2=4 μm。当w1=1 μm、h1=315 nm、w2=4 μm 时，对h2进行优化。fPC和Neff随h2的变化曲线如图7（b）所示。随着h2的增加，Neff保持增大趋势，同时fPC减小，因此选取h2=405 nm。最终，脊形波导平板层参数选取为w2=4 μm、h2=405 nm。

图7 脊形波导平板层结构优化Fig.7 Structure optimization of the panel of ridge waveguide

随后优化脊的参数。当w2=4 μm、h1=315 nm、h2=405 nm 时，Neff和fPC随w1的变化曲线如图8（a）所示，随着w1增大，Neff增大，fPC减小，因此选择w1=1 μm 使fPC最大。在w1=1 μm、w2=4 μm、h2=405 nm时，Neff和fPC随h1的变化曲线如图8（b）所示，随着h1增大，Neff不断减小，fPC先增大后减小，同样地，为了得到较大的fPC，选取h1=315 nm，此时fPC达到最大值为115.65%，对应的有效折射率Neff=1.381 9。

图8 脊形波导脊结构优化Fig.8 Ridge structure optimization of ridge waveguide

根据式（6）和（7），优化传感器灵敏度因子S和波导长度L。仿真得到优化后的脊形波导损耗αint=3 dB/cm。S随L的变化曲线如图9所示，最佳波导长度Lopt处对应S的最大值拐点，因此可以确定最佳波导长度Lopt=162 μm 时对应的最大灵敏度S=3.64 × 10-7，通过式（11）计算得到CLoD为8.51×10-6。

图9 脊形波导损耗为3 dB/cm 时，S 与L 的曲线Fig.9 Plot of S versus L，where αint=3 dB/cm for RWG

2.2.2 优化总结

表2 列出了最终优化的脊形波导参数。悬浮脊形波导的最佳参数：w2=4 μm、h2=405 nm、w1=1 μm、h1=315 nm、Lopt=162 μm，此时fPC=115.654 5%，有效折射率Neff=1.381 9，最小检测下限为8.51×10-6。悬浮脊形波导仅有横磁（Transverse Magnetic，TM）模，没有TE 模。TM0、TM1模的光场分布如图6（b）、图6（c）所示，TM0模大部分光被限制在脊上、下区域。

3 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。

表3 悬浮InGaAs 多孔光子晶体波导和悬浮InGaAs 脊形波导的比较Table 3 Comparison between the suspended InGaAs HPCW and the suspended InGaAs RWG

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。根据式（7）和（14），分别计算传输损耗对两种传感器性能的影响，Lopt和CLoD随αint的变化曲线如图10所示。随着传输损耗增大，传感器最佳波导长度Lopt减小，CLoD增大。若能有效降低波导传输损耗，可以进一步降低检测下限。

图10 Lopt和CLoD随αint的变化曲线Fig.10 Plots of Lopt and CLoD versus αint

4 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。