Моделирование датчика газа на платформе интегральной фотоники нитрид кремния
ВВЕДЕНИЕ
Аннотация. В статье описан подход к моделированию микрокольцевой резонаторной структуры на платформе интегральной фотоники нитрид кремния при воздействии на него разных газов, опасных для здоровья человека. Газ меняется путем изменения показателя преломления среды, окружающей резонатор, от 1 (вакуум) до 1,001768 (CCl4). Для различных газов были получены резонансные длины волн микрокольцевой структуры, определены добротность, чувствительность и предел обнаружения. По результатам симуляции видно, что с помощью разработанного сенсора возможно обнаружение широкого спектра опасных для здоровья человека газов, в том числе тетрахлорметана, паров ртути, угарного газа и моноксида азота, хотя различение двух последних газов по итогам текущей работы невозможно.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Noh, J.-S., Lee, J.M., Lee, W. Low-Dimensional Palladium Nanostructures for Fast and Reliable Hydrogen Gas Detection. Sensors 2011, 11, 825-851.
Tai H. et al. Evolution of breath analysis based on humidity and gas sensors: Potential and challenges //Sensors and Actuators B: Chemical. – 2020. – Т. 318. – С. 128104.
Liu C. et al. Grating double-slot micro-ring resonator for sensing //Optics Communications. – 2021. – Т. 499. – С. 127280.
Lei Sun, Yuliya Semenova, Qiang Wu, Dejun Liu, Jinhui Yuan, Tao Ma, Xinzhu Sang, Binbin Yan, Kuiru Wang, Chongxiu Yu, and Gerald Farrell, "High Sensitivity Ammonia Gas Sensor Based on a Silica-Gel-Coated Microfiber Coupler," J. Lightwave Technol. 35, 2864-2870 (2017).
Fabricius N., Gauglitz G., Ingenhoff J. A gas sensor based on an integrated optical Mach-Zehnder interferometer //Sensors and Actuators B: Chemical. – 1992. – Т. 7. – №. 1-3. – С. 672-676.
Kuzin A. et al. Hybrid nanophotonic–microfluidic sensor for highly sensitive liquid and gas analyses // Optics Letters, 2022. 47(9) – 2358-2361 p.
Elmanova A. et al. Integrated optical gas sensor based on O-ring resonator and loop waveguide mirror on silicon nitride platform. – 2021
Antonacci, G., Goyvaerts, J., Zhao, H., Baumgartner, B., Lendl, B., & Baets, R. (2020). Ultra-sensitive refractive index gas sensor with functionalized silicon nitride photonic circuits. APL photonics, 5(8), 081301.
C. Das, Z. Mohammad and M. M. Alam, “Optical Hydrogen Gas Sensor Based on Palladium Coated Microring Resonator,” 2018 International Conference on Innovation in Engineering and Technology (ICIET), 2018, pp. 1-5.
Eryürek M. et al. Optical sensor for hydrogen gas based on a palladium-coated polymer microresonator //Sensors and Actuators B: Chemical. – 2015. – Т. 212. – С. 78-83.
Cardenosa-Rubio M., Heather M. Recent advances in environmental and clinical analysis using microring resonator-based sensors. Curr Opin Environ Sci Health, 2019; 1-14.
Интегральная фотоника стремительно развивается и предлагает все новые решения. В настоящее время ее используют в качестве основы для различных устройств, например, для создания фотодетекторов и фотоприемников. В то же время, интегральная фотоника обладает большими возможностями. Она включает в себя интегральные устройства, которые работают быстрее и точнее электронных. Кроме того, такие устройства обладают достаточно большим сроком службы, малым энергопотреблением, малыми массой и габаритами. В том числе на основе интегральной фотоники могут быть реализованы сенсоры, способные детектировать наличие и состав газа. Благодаря перечисленным преимуществам сенсоры могут использоваться не только на бытовом уровне, но и могут быть безопасно использованы на взрывоопасных предприятиях [1], а также в медицине [2]. Датчики могут исполняться на базе брэгговских решеток [3], оптических ответвителей [4], интерферометра Маха-Цендера (MZI) [5]. Самыми простыми по структуре и исполнению являются датчики на основе микрокольцевых резонаторов, которые могут иметь структуру all-pass (с одним волноводом) и add-drop (с подводящим волноводом, рисунок 1).Одной из перспективных платформ интегральной фотоники, позволяющей реализовывать датчики газа, является нитрид кремния (SiN). При использовании указанной платформы сенсоры обладают большими размерами, ввиду чего их добротность выше, чем у датчиков на платформе кремний-на-изоляторе (КНИ) [6, 7]. Датчики на платформе нитрида кремния могут выполняться на основе MZI [8], на основе микрокольцевых резонаторов (МКР) [6], а также на более сложных структурах, например, на основе петлевого волнового зеркала [7].