基于ZnO多孔覆盖层U形波导微环谐振器的NH3传感器的研究

Nowadays，miniaturizaion is an important development direction of gas sensor. Microring resonator has merits of easy structure, high quality factor and wide application. The sensor based on it has the advantage of small size, high stability, high sensitivity and lower sample utilization. In this project, on the one hand, we plan to study using U-bend waveguide in microring structure to optimize the output spectra, including enlarge the free spectra range, increase the extinction ratio, reduce the bandwidth and depress the pseudo mode. These works will promote the range and accuracy of sensor. On the other hand, we plan to optimize the sensitivity, selectivity and response time for NH3 detection through controlling the shape and doping of ZnO nanoparticles as well as the deposition method and thickness of porous cover layer. Through this research, we try our best to realize a NH3 gas sensor based on microring resonator with ZnO porous layer and U-bend waveguide. We also try to explain the gas sensing mechanism and property promotion mechanism theoretically and experimentally. We will build a quantitative relationship between waveguide effective index and NH3 gas concentration. These works will lay a solid foundation for the development of optical waveguide gas sensor.

目前微型化是气体传感器的主要发展方向，微环谐振器是一种结构简单，品质因子高，应用广泛的光波导结构，基于其开发的传感器具有尺寸小、稳定性高、灵敏度高、被检测物质用量小的特点。本项目计划一方面研究利用U形波导改进微环谐振器的结构，优化微环谐振器的输出光谱，包括扩大自由光谱范围、提高消光比、减小带宽和抑制伪模，从而提升传感器的量程和精准度；另一方面研究通过控制ZnO纳米颗粒的形貌、掺杂以及多孔覆盖层的沉积方法和厚度提升传感器对NH3的灵敏度和选择性，减少响应时间。通过本项目的研究，力争实现一个基于ZnO多孔覆盖层U形波导微环谐振器的NH3传感器，从理论和实验阐释微环谐振器气体传感器的气敏机理，建立波导有效折射率和NH3气体浓度之间的量化关系，为今后该类传感器的设计打下基础。

目前微型化、阵列化、低功耗是气体传感器的主要发展方向。微环谐振器是一种结构简单、品质因子高、应用广泛的光波导结构，可用于传感器应用。基于其开发的传感器具有尺寸小、稳定性高、灵敏度高、被检测物质用量小的特点。本项目将ZnO纳米颗粒气敏薄膜同微环传感器相结合，尝试实现一种有选择性的光波导气体传感器。研究过程中，研究组完成了对U型波导微环谐振器的优化设计和仿真模拟计算，对多种不用结构的U型波导微环谐振器进行了讨论，比较了不同结构间输出光谱和传感特性的差异，实现了高消光比、宽自由光谱范围的U型波导微环谐振器器件。此外，研究组为了提升气体和波导之间的接触，从而提高器件灵敏度，引入了槽型波导。研究在中红外波段对折射率类似的温室气体实现了选择性，并利用一个输出光谱同时得出两种气体浓度。同时，基于类似的调制原理和U型波导微环谐振器结构，研究组利用石墨烯提出了一种高速、低阈值的电光调制器。最后，为探究ZnO纳米颗粒对于还原性气体和VOC气体的敏感选择性，研究组对ZnO材料进行了氧化物的掺杂，包括氧化铟等。发现在紫光照射下ZnO纳米颗粒的电学特性会由于光照条件不同选择性不同，对不同种类的气体有不同的信号变化程度。因此，利用光照条件的变化可以实现对特定气体的选择性敏感。本项目资助的研究对基于光波导的气体传感器做了多种设计，提出了可用于气体传感的U型波导微环谐振器结构，同时研究的ZnO纳米材料可实现对特殊气体的选择性，特别是通过光电耦合实现选择性的大幅提升，为今后该类传感器的设计打下了基础。