Mid-infrared Integrated Photonic Platforms for On-chip Optical Gas Sensing

QC 20260504

Abstract

Integrerad fotonik är ett snabbt växande forskningsområde som har väckt stort intresse genom sin förmåga att möjliggöra skalbara och höghastighetsoptiska system med låg energiförbrukning. Dess unika egenskaper har gjort den till en central teknik inom ett brett spektrum av framväxande tillämpningar, såsom bland annat nästa generations telekommunikation, kvantdatorer, miniatyriserade sensorer för miljöövervakning samt infrastruktur för artificiell intelligens.

Bland olika spektralområden är det mellaninfraröda spektralområdet (2-20 µm) av särskild betydelse för miljösensorik, eftersom ett stort antal relevanta molekyler absorberar i detta spektralområde genom rotations och vibrationsövergångar. Integrerad fotonik i mellaninfraröda erbjuder flera fördelar jämfört med traditionella optiska gassensorer, såsom kompakt utformning, förbättrad energieffektivitet samt möjlighet till flergasdetektion genom integrering av flera optiska funktioner på en och samma plattform. Trots de snabba framstegen inom integrerad fotonik i det nära infraröda området, som huvudsakligen har drivits av telekommunikationstillämpningar, har utvecklingen av integrerade fotoniska plattformar i mellaninfraröda skett i en jämförelsevis långsammare takt. Denna avhandling syftar till att utveckla integrerade fotoniska plattformar i mellaninfraröda för tillämpningar inom gassensorik, med fokus på att utöka det operativa våglängdsområdet, integrera ljuskällor och fotodetektorer samt säkerställa kompatibilitet med befintlig infrastruktur för kiselofotonik. Avhandlingens huvudsakliga bidrag omfattar: (1) utveckling av integrerade fotoniska plattformar baserade på kisel på isolator(SOI) och germanium på kisel; (2) integrering av grafenbaserade fototermoelektriska fotodetektorer och termiska emittrar; samt (3) demonstration av integrerad gasdetektering för koldioxid, metan och etanol. De utvecklade plattformarna uppvisar låga utbredningsförluster tack vare hög tillverkningskvalitet och unik vågledardesign,samtidigt som hög känslighet för tillämpningar inom gassensorik bibehålls. Användningen av grafen för att integrera fotodetektorer och ljuskällor möjliggör utvecklingen av en integrerad fotonisk plattform i mellaninfraröda, baserad på ett enda aktivt material, vilket ger bred spektral täckning för tillämpningar inom gassensorikfältet. Denna avhandling lägger grunden för vidare utveckling av fotoniska teknologier i mellaninfraröda och för utforskning av framväxande tillämpningar inom detta spektralområde. Den banar väg för högpresterande, mångsidiga och skalbara integrerade fotoniska plattformar för tillämpningar inom gassensorikfältet. Därutöver kan de utvecklade plattformarna även utvidgas till andra tillämpningar i mellaninfraröda området, såsom optisk kommunikation i frirymd och ickelinjära optiska studier.

Link to DiVA