近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授與劉鐵根教授課題組，設(shè)計(jì)了一種采用單波長激光檢測的石墨烯-硅基微環(huán)氣體傳感器件，成果以“Graphene-sensitized microring gas sensor probing with a single-wavelength laser”為題，發(fā)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(gè)適用于研發(fā)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(tǒng)氣體傳感器相比具有抗電磁干擾、在復(fù)雜環(huán)境中工作穩(wěn)定性好、可與其他電子或光子器件集成應(yīng)用，在環(huán)境監(jiān)測、呼吸分析以及工業(yè)安全等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。同時(shí)，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?dú)怏w分子（例如，CO，CO2，NO2等）的特征吸收波長。

其中，微環(huán)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(yōu)點(diǎn)。然而，過去基于微環(huán)諧振腔的氣體傳感器的研究通常受到測量設(shè)備（例如，可調(diào)諧激光器和光譜儀）的限制，導(dǎo)致開發(fā)單片集成的傳感器具有一定的挑戰(zhàn)性。

在本項(xiàng)工作中，研究者們設(shè)計(jì)了一種采用單波長激光檢測的石墨烯-硅基微環(huán)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(lán)寶石晶圓（Silicon-on-Sapphire, SOS）上設(shè)計(jì)了半徑為25μm的微環(huán)諧振腔，石墨烯通過一層氧化鋁（Al2O3）的隔絕集成在硅基微環(huán)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(huán)波導(dǎo)的截面圖，其中，電極可以用來調(diào)控波導(dǎo)中的自由載流子濃度，也可以通過外加電場來調(diào)控優(yōu)化石墨烯的費(fèi)米能級。

根據(jù)等離子體色散效應(yīng)（Plasmon Dispersion Effect），通過調(diào)控波導(dǎo)中的自由載流子濃度，改變波導(dǎo)中光的相位，引起在特定波長下微環(huán)的透射強(qiáng)度發(fā)生變化。同時(shí)，石墨烯對氣體的吸附作用，也可以影響石墨烯的費(fèi)米能級，從而改變波導(dǎo)中光的相位。通過數(shù)據(jù)采樣擬合，得到微環(huán)透射光強(qiáng)與氣體濃度、外加電場之間的關(guān)系。基于這一原理，可以采用單波長激光檢測石墨烯-硅基微環(huán)諧振腔周圍的氣體濃度變化。微環(huán)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(huán)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(dǎo)截面圖；（c）石墨烯-硅基微環(huán)氣體傳感器件的俯視圖；（d）諧振波長下微環(huán)諧振腔的電場分布圖。

所設(shè)計(jì)的石墨烯-硅基微環(huán)氣體傳感器件的理論結(jié)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(huán)諧振腔的歸一化透射率隨注入載流子濃度的變化。當(dāng)氣體濃度分別設(shè)為10 ppm和20 ppm時(shí)，理論計(jì)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(fā)現(xiàn)，計(jì)算結(jié)果與設(shè)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(guān)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(huán)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