#P-39

Architektury falowodów Ge-on-Si do zastosowań czujnikowych w zakresie średniej podczerwieni – charakterystyka porównawcza

Jacek OLSZEWSKI¹, Adrian ŚLIPEK¹, Krzysztof ANDERS^1,2, Stanisław STOPIŃSKI^1,2, Ryszard PIRAMIDOWICZ^1,2

¹VIGO Photonics S.A., ul. Poznańska 129/133, 05-850 Ożarów Mazowiecki
²Politechnika Warszawska, Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki, ul. Koszykowa 75, 00-662 Warszawa

Zakres spektralny średniej podczerwieni (Mid Infrared, MIR) jest istotny dla wielu zastosowań, w tym monitorowania środowiska, diagnostyki medycznej i kontroli procesów przemysłowych. Planarne falowody germanowo-krzemowe (Ge-on-Si) stanowią obiecującą platformę materiałową dla zintegrowanych czujników fotonicznych działających w tym zakresie długości fali, wykorzystując szerokie okno transmisji optycznej germanu (1.7–15.0 µm) oraz kompatybilność z technologią CMOS [1-2].
Kluczowym parametrem wpływającym na wydajność falowodowych czujników MIR jest współczynnik uwięzienia (Γ), który określa stopień przekrycia pola modu propagującego się w falowodzie z obszarem, w którym znajduje się analit. Współczynnik ten wyrażony jest zależnością [2, 3]:

\[
\Gamma = \frac{N_g}{n_a} \frac{\int_{a} \varepsilon_a \, |E|^2 \, dx \, dy}{\int_{-\infty}^{+\infty} \varepsilon \, |E|^2 \, dx \, dy} \, [\%]

\]

gdzie N_g oznacza grupowy współczynnik załamania modu, n_a – współczynnik załamania obszaru, w którym znajduje się analit, E – wektor natężenia pola elektrycznego oraz ε – rozkład przenikalności dielektrycznej (ε_a – w obszarze występowania analitu).
W prezentacji przedstawiamy wyniki symulacji porównujące współczynniki uwięzienia obliczone dla modów TE/TM prowadzonych w falowodach germanowo-krzemowych o wybranych geometriach w zakresie spektralnym średniej podczerwieni. Celem badań jest ocena przydatności różnych architektur falowodów czujnikowych do zastosowań w detekcji wybranych rodzajów gazowych analitów.

Literatura
[1] V. Reboud, J.M. Hartmann, S. Serna, K. Stoll, C. Monat and C. Grillet, Photonic Ge-based platforms for mid-infrared applications, IEEE Photonics Journal 14 (2022), pp. 1–9
[2] J. Lim, J. Shim, D. M. Geum and S. Kim, Experimental Demonstration of Germanium-on-Silicon Slot Waveguides at Mid-Infrared Wavelength, Photoniques 125 (2024), pp. 50–57
[3] J.T. Robinson, K. Preston, O. Painter, and M. Lipson, First-principle derivation of gain in high-index-contrast waveguides, Opt. Express 16 (2008), pp. 16659-16669