We have proposed and theoretically analyzed the gas sensing performance of the photonic crystal (PhC) nanocavities based on a silicon-on-insulator platform. To assess the gas sensing performance of the proposed PhC nanocavities, the effect of the etch-depth of the circular air holes in the substrate on the quality factor, mode volume, and resonant wavelength have been analyzed. Numerical analysis carried out using the three-dimensional finite-difference time-domain method and filter diagonalization approach shows that the etch-depth significantly perturbs the electric field profile of the original cavity mode. By tuning this parameter, the antinodes of the electric fields are relocated to the air regions of the etch-depth, which leads to an increase in the quality factor and reduction in the mode volume. In this case, the quality factor is found to increase with increasing etch-depth, but still remains as high as 5170 with a small modal volume of $$0.95~(\lambda /n)^{3}$$ 0.95 ( λ / n ) 3 . In addition, using the perturbation method, we have demonstrated that the proposed PhC nanocavities possess the capability of detecting the change in the refractive index of the surrounding gas target with a high sensitivity of 322 nm/refractive index unit (RIU) and a detection limit of $$10^{-3}\,RIU$$ 10 - 3 R I U . We believe that our proposed PhC nanocavities, which exhibit excellent sensing performances, ultra-small mode volume, and a compact footprint, may offer the potential to develop on-chip sensing devices for applications in gas detection.

中文翻译：

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基于绝缘体上硅平台的高Q光子晶体纳米腔的气敏性能

我们提出并从理论上分析了基于绝缘体上硅平台的光子晶体 (PhC) 纳米腔的气敏性能。为了评估所提出的 PhC 纳米腔的气敏性能，分析了基板中圆形气孔的蚀刻深度对品质因数、模式体积和谐振波长的影响。使用三维有限差分时域方法和滤波器对角化方法进行的数值分析表明，蚀刻深度显着扰乱了原始腔模式的电场分布。通过调整这个参数，电场的波腹被重新定位到蚀刻深度的空气区域，这导致品质因数的增加和模式体积的减少。在这种情况下，发现品质因数随着蚀刻深度的增加而增加，但仍保持高达 5170，具有 $$0.95~(λ/n)^{3}$$0.95 (λ/n) 3 的小模态体积。此外，使用微扰方法，我们已经证明所提出的 PhC 纳米腔具有检测周围气体目标折射率变化的能力，具有 322 nm/折射率单位 (RIU) 的高灵敏度和检测限$$10^{-3}\,RIU$$ 10 - 3 RIU 。我们相信，我们提出的 PhC 纳米腔具有出色的传感性能、超小模式体积和紧凑的占地面积，可以为开发用于气体检测应用的片上传感设备提供潜力。95~(λ/n)^{3}$$ 0.95 (λ/n) 3 . 此外，使用微扰方法，我们已经证明所提出的 PhC 纳米腔具有检测周围气体目标折射率变化的能力，具有 322 nm/折射率单位 (RIU) 的高灵敏度和检测限$$10^{-3}\,RIU$$ 10 - 3 RIU 。我们相信，我们提出的 PhC 纳米腔具有出色的传感性能、超小模式体积和紧凑的占地面积，可以为开发用于气体检测应用的片上传感设备提供潜力。95~(λ /n)^{3}$$ 0.95 (λ / n ) 3 . 此外，使用微扰方法，我们已经证明所提出的 PhC 纳米腔具有检测周围气体目标折射率变化的能力，具有 322 nm/折射率单位 (RIU) 的高灵敏度和检测限$$10^{-3}\,RIU$$ 10 - 3 RIU 。我们相信，我们提出的 PhC 纳米腔具有出色的传感性能、超小模式体积和紧凑的占地面积，可以为开发用于气体检测应用的片上传感设备提供潜力。我们已经证明，所提出的 PhC 纳米腔具有检测周围气体目标折射率变化的能力，具有 322 nm/折射率单位 (RIU) 的高灵敏度和 $$10^{-3} 的检测限\,RIU$$ 10 - 3 RIU 。我们相信，我们提出的 PhC 纳米腔具有出色的传感性能、超小模式体积和紧凑的占地面积，可以为开发用于气体检测应用的片上传感设备提供潜力。我们已经证明，所提出的 PhC 纳米腔具有检测周围气体目标折射率变化的能力，具有 322 nm/折射率单位 (RIU) 的高灵敏度和 $$10^{-3} 的检测限\,RIU$$ 10 - 3 RIU 。我们相信，我们提出的 PhC 纳米腔具有出色的传感性能、超小模式体积和紧凑的占地面积，可以为开发用于气体检测应用的片上传感设备提供潜力。