Silício

Jun 05, 2023

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 12311 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A detecção na faixa espectral do infravermelho médio é altamente desejável para a detecção e monitoramento de diferentes gases. Propomos aqui um sensor baseado em silício compatível com CMOS que opera em (3,5–10 μm) dentro da faixa infravermelha média. O material de silício é dopado a um nível que muda sua ressonância plasmônica para comprimento de onda de 3 μm. O dispositivo sensor compreende uma microcavidade retangular em linha e um ressonador de microcavidade em ponta. As frequências/comprimentos de onda de ressonância dos dois ressonadores foram estudados com diferentes dimensões de projeto. Quando os dois ressonadores são projetados para ressoar em frequências próximas, a interessante ressonância Fano com seu formato de linha distinto e nítido é excitada devido à interferência entre os dois perfis de ressonância. A ressonância Fano é útil para medições altamente sensíveis devido ao seu perfil de mudança abrupta de intensidade. O sensor é estudado e analisado usando métodos de Elementos de Diferença Finita e Domínio de Tempo de Diferença Finita 2D. O desempenho do sensor é caracterizado por sua alta sensibilidade de 6.000 nm/RIU, FOM de 353 e perda de inserção limitada de 0,45 dB em torno de comprimento de onda de operação de 6,5 μm. Além disso, desenvolvemos o sensor para detectar simultaneamente os gases formaldeído CH2O e óxido nitroso N2O a partir de suas fortes bandas de absorção nos comprimentos de onda de 3,6 μm e 4,46 μm, respectivamente.

A detecção por infravermelho médio é de especial importância devido às suas aplicações em diferentes domínios, como telecomunicações, defesa, monitoramento ambiental e industrial, uma vez que muitos gases têm suas impressões digitais de absorção na faixa do infravermelho médio . Sensores ópticos estão sendo desenvolvidos com base em duas plataformas principais: as plataformas convencionais de silício fotônico e plasmônico3. Embora as estruturas de Si tenham as vantagens de serem compatíveis com CMOS e de terem baixas perdas de orientação de onda, as estruturas plasmônicas podem ter dimensões muito menores. Além disso, as estruturas plasmônicas possuem propriedades interessantes de aumentar e confinar os campos eletromagnéticos em pequenas regiões, como em guias de onda metal-isolante-metal, fendas plasmônicas e cavidades. O problema com os metais nobres Au e Ag comumente usados ​​é que eles possuem uma densidade fixa de elétrons livres, resultando em uma frequência de ressonância plasmônica fixa, além de serem incompatíveis com CMOS. Pelo contrário, os semicondutores dopados6,7 têm as vantagens da compatibilidade CMOS e da sintonização da frequência de ressonância plasmônica com a concentração de dopagem8.

Os princípios de funcionamento dos sensores são baseados em fortes efeitos de ressonância óptica e interferência que são alcançados em diferentes configurações, como ressonadores de pista9 e interferômetros Mach Zender10. Outras tecnologias incluem toroidal11, ressonância de rede de superfície12 e estado ligado nos sensores contínuos13 também foram investigadas. No entanto, gostaríamos de estudar o efeito de ressonadores acoplados na detecção de infravermelho médio, o que pode potencialmente melhorar o desempenho dos sensores. O acoplamento de dois ou mais ressonadores pode levar a propriedades peculiares e formatos de linhas espectrais com perfis especiais, como a ressonância de Fano , a transparência induzida eletromagneticamente e o efeito Borrmann .

Em geral, a ressonância de Fano é um fenômeno que ocorre na fotônica integrada, onde as ondas de luz interagem com a matéria de uma forma que produz quedas ou picos acentuados no espectro de transmissão. A ressonância de Fano foi descrita pela primeira vez pelo físico italiano Ugo Fano em 196115, e desde então tem sido observada em vários sistemas, incluindo pontos quânticos, nanopartículas plasmônicas e cristais fotônicos.

A ressonância Fano surge da interferência entre duas vias ópticas. Um caminho envolve uma transmissão direta de luz através do material, enquanto o outro envolve a dispersão da luz por uma estrutura ressonante discreta dentro do material. A interferência entre essas duas vias pode produzir um efeito de interferência construtivo ou destrutivo, levando a um pico acentuado ou a uma queda no espectro de transmissão. Este efeito é altamente sensível às propriedades da estrutura ressonante e pode ser usado para uma variedade de aplicações de detecção e processamento de sinais.