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Larger-Than-Unity External Optical Field Confinement Enabled by Metamaterial-Assisted Comb Waveguide for Ultrasensitive Long-Wave Infrared Gas Spectroscopy

材料科学 波导管 光电子学 吸收(声学) 等离子体子 光学 超材料 纳米光子学 光谱学 折射率 物理 量子力学 复合材料
作者
Weixin Liu,Yiming Ma,Xinmiao Liu,Jingkai Zhou,Cheng Xu,Bowei Dong,Chengkuo Lee
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:22 (15): 6112-6120 被引量:57
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.2c01198
摘要

Nanophotonic waveguides that implement long optical pathlengths on chips are promising to enable chip-scale gas sensors. Nevertheless, current absorption-based waveguide sensors suffer from weak interactions with analytes, limiting their adoptions in most demanding applications such as exhaled breath analysis and trace-gas monitoring. Here, we propose an all-dielectric metamaterial-assisted comb (ADMAC) waveguide to greatly boost the sensing capability. By leveraging large longitudinal electric field discontinuity at periodic high-index-contrast interfaces in the subwavelength grating metamaterial and its unique features in refractive index engineering, the ADMAC waveguide features strong field delocalization into the air, pushing the external optical field confinement factor up to 113% with low propagation loss. Our sensor operates in the important but underdeveloped long-wave infrared spectral region, where absorption fingerprints of plentiful chemical bonds are located. Acetone absorption spectroscopy is demonstrated using our sensor around 7.33 μm, showing a detection limit of 2.5 ppm with a waveguide length of only 10 mm.
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