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学术 2024-11-09 23:55 浙江

▲第一作者：L. Picelli

通讯作者：L. Picelli

通讯单位：荷兰埃因霍芬理工大学

DOI：

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01435-x

研究背景

大多数传感器依赖于被测对象的电参数的变化。它们通过电线和电子电路直接读出，这在原理上十分简单，但它很容易受到电磁干扰，这大大阻碍了它在工业环境中的应用。光纤传感器可以克服这些限制，因为传感区域和读出区域可以被分开。然而，光纤传感通常需要复杂的读取设备，因为需要达到分辨极高的波长精度。

研究问题

本研究通过展示集成在光纤尖端的混合电子-光子传感器，将电子传感器的灵敏度和灵活性与光学读出的优势结合起来。该传感器基于电光纳米光子结构，利用静电场和电磁场的强烈共局域性，同时实现电压到波长的转换和反射率的调制。本研究演示了通过光纤读取电光二极管的电流-电压特性的可能性，因此其随环境的变化而变化。作为概念验证，本研究展示了该方法在低温温度传感中的应用。

▲图1|电传感器全光学检测的工作原理

要点：

1.本研究的目标是引入一项关键功能使完全光学读取电子传感器成为可能，从而打开新的传感模式。为了驱动所提出的电器件，本研究利用光伏效应在半导体p-i-n结中局部产生电流，通过监测嵌入的纳米光子电光结构的性质的变化来检测其电压响应。如图1a所示，整个电路，包括一个电流源、一个二极管和一个电压表，完全位于光纤尖端(直径约120 μm)的平面上，从而形成了一个非常紧凑的传感器，可以通过光纤远距离读出。此外，选择相对宽谱的谐振和所采用的调制方案大大放宽了对检测系统的要求，简化了整个系统复杂度。

2.包括p-i-n结的InP膜被图案化以形成光子晶体(PhC)，通过在衬底上蚀刻的孔将光纤推到单模光纤的尖端来传输到单模光纤的尖端，从而打破预定的支撑结构。该工艺可实现准确的对准，并确保与纤维的永久粘附性而不会发生任何粘合。矩形光子晶体晶格被设计成在Γ点上产生λ = 1550 nm附近的共振模，这导致了对光纤模的高耦合效率和强烈的反射光谱特征(图1d)。

3.当用高于InP带隙的频率的激光照射图案化的薄膜时(本工作使用的是640 nm的红色激光)，光生载流子被内置场分开(图1c)。相应的光电流可用于偏置片上电阻器或其他电子元件。在本研究的实验中，p-i-n结工作在开路条件下，分离的电荷改变了本征区的场。由于InP是一种电光材料，场的变化导致折射率变化，从而导致PhC共振波长(Δλ)的移动，这可以通过谐振侧固定波长的反射功率(ΔP)的变化来检测(图1d)。

▲图2| p-i-n结的电流-电压特性

要点：

1.光电PhC传感器的第一个应用是作为光纤光电探测器，因为从PhC周围入射的光子被转换成光电压，可以通过光纤测量，也可以在很远的距离上进行测量。在此频率范围内，由于激光功率的低频波动，观测到的噪声下限对应于~16 fm Hz^-1/2的波长精度，相当于~0.3 mV Hz^-1/2的结电压精度，以及~19 pW Hz^-1/2的噪声等效功率(在640 nm处)。本研究进一步证实，在P_vis < 4 nW的功率范围内，调制的IR功率和入射的可见光功率之间是线性关系(图2a，插图)。本研究的方案基于可见光到红外的转换去直接测量从环境耦合到光纤的光，其具有大数值孔径的优势(因为光不必耦合到光纤)，并且可以应用于非常宽的光谱范围，包括不会通过光纤传输的波长(例如在紫外线中)。

2.虽然从电域到光域的信号传输仅基于几乎是瞬时的普克尔斯效应，但传感器的频率响应由特征时间τ = R_dC决定，其中C是结的电容。在固定功率下扫描调制频率可以揭示这种行为(图2b)。这允许通过将实验数据与低通滤波器传递函数的模方程进行拟合来确定二极管的特性时间τ和截止频率(f₀ = 1/2πτ)：

3.通过改变图1c中所示的结的表面，可以很容易地改变结的电特性。图2c显示了差动电阻和电容随结面积的变化。

▲图3|低温传感性能

要点：

1.首先，本研究在15-100 K的范围内测量了不同温度下的IV特性，并根据它们的拟合确定了饱和电流和理想因子(图3a)。本研究观察到，这两个量都表现出强烈的、非线性的温度依赖关系。

2.本研究还测量了平均反射功率(根据输出电压计算的P_d.c.，并考虑了探测器的响应度和放大系数)，以监测由于热光效应引起的共振漂移。在图3b中，本研究观察到在15-40 K的温度范围内，P_d.c.的值。几乎是恒定的，而其温度灵敏度在40-100 K的范围内约为-67.1 ±0.3 nW K^-1。另一方面，在恒定波长测量并使用公式(3)转换为结电压的IR信号调制( ΔP_a.c.)和在T=16 K测量的谐振斜率，其灵敏度(S_T)在20-40 K范围内为-2.70 ± 0.20 mV K^-1，在40-80 K范围内为−9.32 ± 0.03 mV K^-1(图3c)。对50 K(图3d)下的Allan偏差的研究表明，最佳测量时间为30 S，并且电压的最小阿兰偏差为1.7 mV。

结语

本研究展示了一种基于光纤尖端上的光电PhC来光学询问电子传感器的方法。本研究基于所提出的方案实现了光纤尖端二极管，并通过光学读取由光生电流产生的二极管的电压来测量其电学特性。作为概念验证，本研究将该器件应用于低温温度传感器，表明光学读出的电参数允许在光学特性几乎与温度无关的范围内测量温度。所提出的传感器仍然可以受益于通过表面钝化来优化结的电特性，以及使用平衡检测来降低噪声。先进的方案还可以包括通过不同核心同时读出几个电压，从而检测多个参数。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41565-023-01435-x

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