Silicium

Jun 05, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 12311 (2023) Citer cet article

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La détection dans la plage spectrale de l'infrarouge moyen est hautement souhaitable pour la détection et la surveillance de différents gaz. Nous proposons par la présente un capteur à base de silicium compatible CMOS qui fonctionne à (3,5–10 μm) dans la plage infrarouge moyenne. Le matériau silicium est dopé au niveau qui déplace sa résonance plasmonique à une longueur d'onde de 3 µm. Le dispositif capteur comprend une microcavité rectangulaire en ligne et un résonateur à microcavité tronquée. Les fréquences de résonance/longueurs d’onde des deux résonateurs ont été étudiées avec différentes dimensions de conception. Lorsque les deux résonateurs sont conçus pour résonner à des fréquences proches, la résonance intéressante de Fano, avec sa forme de ligne distincte et nette, est excitée en raison de l'interférence entre les deux profils de résonance. La résonance Fano est utile pour les mesures très sensibles en raison de son profil de changement brusque d'intensité. Le capteur est étudié et analysé à l’aide des méthodes des éléments aux différences finies et du domaine temporel aux différences finies 2D. Les performances du capteur se caractérisent par sa sensibilité élevée de 6 000 nm/RIU, son FOM de 353 et sa perte d'insertion limitée de 0,45 dB autour d'une longueur d'onde de fonctionnement de 6,5 μm. De plus, nous développons le capteur pour détecter simultanément les gaz formaldéhyde CH2O et protoxyde d’azote N2O à partir de leurs fortes bandes d’absorption aux longueurs d’onde de 3,6 μm et 4,46 μm, respectivement.

La détection du moyen infrarouge revêt une importance particulière en raison de ses applications dans différents domaines tels que les télécommunications, la défense, la surveillance environnementale et industrielle, car de nombreux gaz ont leurs empreintes d'absorption dans la plage du moyen infrarouge1,2. Les capteurs optiques sont développés sur la base de deux plates-formes principales : les plates-formes photoniques et plasmoniques conventionnelles en silicium-Si3. Alors que les structures en Si présentent l’avantage d’être compatibles CMOS et d’avoir de faibles pertes par guidage d’onde, les structures plasmoniques peuvent avoir des dimensions beaucoup plus petites. De plus, les structures plasmoniques possèdent les propriétés intéressantes d’améliorer et de confiner les champs électromagnétiques dans de petites régions 4,5, comme dans les guides d’ondes métal-isolant-métal, les fentes plasmoniques et les cavités. Le problème avec les métaux nobles Au et Ag couramment utilisés est qu’ils ont une densité fixe d’électrons libres, ce qui entraîne une fréquence de résonance plasmonique fixe, en plus d’être incompatibles avec le CMOS. Au contraire, les semi-conducteurs dopés6,7 présentent les avantages de la compatibilité CMOS et de l’accordabilité de la fréquence de résonance plasmonique avec la concentration de dopage8.

Les principes de fonctionnement des capteurs sont basés sur de puissants effets de résonance optique et d'interférence obtenus dans différentes configurations telles que les résonateurs de piste de course9 et les interféromètres Mach Zender10. D'autres technologies, notamment les capteurs toroïdaux11, la résonance de réseau de surface12 et l'état lié dans le continuum13, ont également été étudiées. Cependant, nous aimerions étudier l'effet des résonateurs couplés dans la détection du moyen infrarouge, ce qui pourrait potentiellement améliorer les performances des capteurs. Le couplage de deux résonateurs ou plus peut conduire à des propriétés particulières et à des formes de raies spectrales avec des profils spéciaux tels que la résonance Fano14,15,16, la transparence induite électromagnétiquement et l'effet Borrmann17.

En général, la résonance de Fano est un phénomène qui se produit en photonique intégrée où les ondes lumineuses interagissent avec la matière d'une manière qui produit des baisses ou des pics brusques dans le spectre de transmission. La résonance de Fano a été décrite pour la première fois par le physicien italien Ugo Fano en 196115, et a depuis été observée dans divers systèmes, notamment les points quantiques, les nanoparticules plasmoniques et les cristaux photoniques.

La résonance Fano résulte de l'interférence entre deux voies optiques. Une voie implique une transmission directe de la lumière à travers le matériau, tandis que l’autre implique une diffusion de la lumière par une structure résonante discrète à l’intérieur du matériau. L'interférence entre ces deux voies peut produire un effet d'interférence constructif ou destructeur, conduisant soit à un pic brutal, soit à une baisse du spectre de transmission. Cet effet est très sensible aux propriétés de la structure résonante et peut être utilisé pour diverses applications de détection et de traitement du signal.