一种基于Fano共振的自偏置光电甲烷传感器，该传感器采用渗透了Cryptophane-A的GaAs光子晶体，并与InGaAs/InP光电二极管集成在一起

《Scientific Reports》：A self-biased optoelectronic methane sensor based on Fano resonance in a cryptophane-A-infiltrated GaAs photonic crystal integrated with an InGaAs/InP photodiode

　　

摘要

我们报告了一种单片集成光电甲烷（CH?）传感器的设计与多物理场仿真结果。该传感器无需外部电偏压或光谱仪器即可工作。该器件由一块掺杂了甲烷选择性物质Cryptophane-A的GaAs光子晶体板组成，该晶体板被设计为在波长约为1560纳米处产生尖锐的Fano共振，并与InP/In?.??Ga?.??As/InP p-i-n光电二极管单片集成。甲烷的吸附会降低Cryptophane-A层的折射率，从而导致Fano共振发生蓝移，这种蓝移会直接转化为光电探测器中的光电流变化。仿真结果显示，在自供电模式下，该传感器的灵敏度为0.8124 (A/cm2)/%CH?，线性度非常好（R2 = 0.9996）；其光响应速度极快，带宽超过10 GHz，远快于甲烷的吸附动力学过程。采用宽带隙p-InP作为阳极的InP/InGaAs异质结结构能够在零偏压下将暗电流抑制在1.04×10?? A/cm2的水平，同时保持3 μm本征层中超过94%的吸收效率。制造公差分析表明，该传感器对孔径变化（±5 nm）和分析物厚度变化（±10 nm）具有很强的鲁棒性，灵敏度下降幅度低于3%。与需要外部光谱仪的被动式超高频谐振器不同，这一完全集成的平台结合了高光学灵敏度、高效的光载流子生成以及零静态功耗，适用于分布式环境监测、工业安全和物联网应用等场景。