Photonic Crystal based Integrated mid-infrared Gas Sensors
- Reference number
- ID21-0057
- Project leader
- Anand, Srinivasan
- Start and end dates
- 220101-260630
- Amount granted
- 2 500 000 SEK
- Administrative organization
- KTH - Royal Institute of Technology
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
The central objective of this Industry PhD student project is to develop photonic crystal (PhC) technology in silicon-on-insulator platform for enhanced functionality and integration in mid-infrared (MIR) gas sensors. Real-time monitoring of greenhouse and other harmful gas (e.g. CO2, NOx, CH4 and NH3) emissions is of paramount importance for environment, health and safety. Optical sensing offers the combined advantage of sensitivity and specificity since these gases have characteristic absorption lines in the MIR wavelength region. The PhC based MIR sensors are realized by detailed electromagnetic design and simulations of the PhC building blocks for specific functions and by advancing PhC fabrication. The PhC building blocks and functions addressed include (i) PhC waveguides including slow-light for enhanced sensitivity and low propagation losses (ii) mode converters for efficient light coupling and (iii) Add-on Si PhC slabs for light extraction and directional emission from MIR LEDs. Combining the different building blocks, the final objective is the proof-of-principle demonstration of a fully integrated CO2 sensor. Although the project focuses on operation around 4.3 µm wavelength for CO2 sensing, the developed know-hows can be adapted for sensing other green house gases. The project work plan is based on on-par collaboration between KTH and Senseair, and pools the respective expertise and resources, thus ensuring clear value added benefits for the PhD student’s research.
Popular science description
Många biprodukter I form av gaser från industrier och mänsklig aktivitet är skadliga för miljön eller vår hälsa. Bland dessa gaser finns växthusgaser som CO2, N2O och CH4. Vikten av CO2-monitorering ökar dessutom i samhället. Idag tillbringar vi upp till 90% av vår tid inomhus där hälsan påverkas av dålig luftkvalitet kopplat till de förhöjda CO2-nivåerna inomhus. Behovsstyrd ventilation, baserat på CO2-mätning, eliminerar risken för exponering för dålig luft samtidigt som energieffektiviteten optimeras i ventilationssystemet. Av den anledningen ser vi att realtidsmätning av CO2 blir mer och mer viktigt inom ett flertal områden. De flesta växthusgaserna har sina vibrations- och rotationsspektrum i Mid-IR-området, mellan 2 och 20 mikrometer, och absorberar IR-ljus effektivt i det här våglängdsområdet. En metod för att mäta gaskoncentrationer är att sända ut ljus med en specifik våglängd och mäta upp variationen av ljus som når en detektor, och utifrån den absorberade ljusenergin beräkna gaskoncentrationen. Denna typ av sensorer, optiska IR-sensorer, erbjuder hög känslighet, snabb respons och god tillförlitlighet. I optiska gassensorer är den optiska längden, där ljuset interagerar med gasen, en avgörande parameter för känsligheten. Ju längre väg, desto känsligare sensor. Framsteg inom kiselfotonik och fotoniska kristaller har möjliggjort långa interaktionsvägar, eller ökad interaktion, på väldigt litet utrymme. Det här forskningsprojektet fokuserar på att utveckla nyckelkomponenter för autonoma inom- och utomhusnätverk för gasmätning med miniatyriserade sensorer och med låg energiförbrukning, genom utnyttjande av tekniken med fotoniska kristaller. Området med fotoniska kristaller har de senaste decennierna uppvisat unika egenskaper som kan möjliggöra chipintegration. Detta skapas genom periodisk variation av brytningsindex längs en vågledarstruktur, där perioden är i samma storleksordning som ljusvåglängden. (Analogt med elektronernas beteende i halvledarkristaller.) Utöver fotoniska kristaller är en annan möjlig metod att kontrollera ljusets propagering genom ”defect engineering”, och därigenom åstadkomma långsammare propagering, guidning och sammanhållning.