中紅外硅光子學因其在開發(fā)芯片集成分子傳感器方面的巨大潛力而備受關(guān)注,。微環(huán)諧振器(MRRs)具有高質(zhì)量的因數(shù),、優(yōu)異的制造重現(xiàn)性和緊湊的器件尺寸等優(yōu)點，是一種有潛力的硅光子傳感器件,。然而,，昂貴和笨重的中紅外設備，即可調(diào)諧激光器或光譜儀,，可能會限制基于MRR的傳感設備的應用,。在這里，我們從理論上研究了一種基于MRR的二氧化氮氣體傳感器,，用單色中紅外激光探測,，以克服這一限制。此外,，石墨烯被用作敏化介質(zhì),，通過改變氣體分子吸附后硅波導中傳播光的相位。具體來說,，我們的傳感器在理論上實現(xiàn)了1.259 × 10^-5 RIU/ppm的靈敏度,，5.1 ppm的檢測限和5135 ppm的檢測范圍。我們的研究有望為開發(fā)芯片集成,、低成本,、高靈敏度的光學氣體傳感器打開一扇門。

圖1. 提出的石墨烯敏化MRR氣體傳感器示意圖,。(a)氣體傳感器三維示意圖,。(b)石墨烯覆蓋的SOS MRR的波導截面,。電極可以用來改變硅波導中自由載流子的濃度,，也可以用來調(diào)節(jié)外電場下石墨烯的費米能級。(c)石墨烯敏化MRR氣體傳感器俯視圖,。(d)共振波長處MRR的電場分布,。

圖2. SOS波導中紅外透明窗口內(nèi)的有效RI (a)和光吸收系數(shù)(b)隨波長和注入自由載流子濃度的變化。

圖3. 計算了石墨烯費米能級的變化和石墨烯覆蓋SOS波導的RI,。(a)石墨烯費米能級隨NO₂氣體濃度的變化,。(b)石墨烯覆蓋SOS波導的有效RI與石墨烯費米能級變化的關(guān)系。

圖4. 不同自由載流子濃度(a)-(g),，石墨烯覆蓋的MRR在波長域的歸一化透射率,，以及在4.48306 μm (h)波長處的MRR透射率采樣。

圖5. 不同氣體濃度下，石墨烯覆蓋MRR的歸一化透射率隨注入自由載流子濃度的變化,。

圖6. LOD和測量范圍與Al₂O₃厚度的關(guān)系,。

相關(guān)研究成果由天津大學精密儀器與光電子工程學院、光電信息技術(shù)教育部重點實驗室Qi He等人于2023年發(fā)表在Optics Communications (https:///10.1016/j.optcom.2023.129447)上,。原文：Graphene-sensitized microring gas sensor probing with a single-wavelength laser,。