天津大學程振洲教授團隊受邀在《激光與光電子學進展》天津大學建校130周年——“光纖傳感與光電檢測”專輯發表以“基于硅基光子芯片的TDLAS氣體傳感研究”為題的研究論文。
封面展示了基于光子芯片的氣體傳感技術的核心思想。主體部分為一顆集成硅基螺旋波導器件的光子芯片，象征著片上可調諧半導體激光吸收光譜技術的硬件基礎與實驗平臺。芯片上密集排布的螺旋波導和發光的甲烷氣體分子表示波導中的傳輸光通過倏逝場與環境氣體分子發生作用，并于吸收波長處實現特異性吸收和能量轉換。芯片下方輸出的二次諧波信號代表波長調制光譜技術的結果，體現出激光吸收光譜技術與硅基光子芯片的融合。
文章鏈接：杜昌龍, 劉星宇, 鄒昌光, 劉思宇, 王佳琦, 郎玘玥, 張尊月, 劉琨, 江俊峰, 劉鐵根, 程振洲. 基于硅基光子芯片的TDLAS氣體傳感研究[J]. 激光與光電子學進展, 2025, 62(19): 1906015.
氣體傳感技術在石油化工、煤礦開采、環境保護、公共安全等領域具有廣泛應用。可調諧半導體激光吸收光譜（tunable diode laser absorption spectroscopy，TDLAS）技術通過識別分子的“指紋譜”確定氣體的成分和濃度，具有靈敏度高、響應速度快、化學特異性強、工作壽命長等優勢。經過多年技術迭代，可實現對甲烷、二氧化碳、氮氧化物、硫化物等多種氣體的痕量檢測。目前，TDLAS氣體傳感技術的小型化、集成化、智能化是未來研究發展方向之一。
基于硅基光子芯片的TDLAS氣體傳感器是一個熱門的研究領域。采用硅基光子集成回路（photonic integrated circuits，PICs）技術，研究者可在芯片上集成紅外光源、傳感波導、光電探測等功能器件，具有系統體積小、集成度高、可靠性好、加工工藝與微電子工藝相兼容等優勢，為芯片級光學氣體傳感器的低成本制造與大規模部署提供了可能。然而，在硅基波導器件中，“低光學損耗”、“高倏逝場占比”、“大加工容差”等特性相互制約，限制了硅基片上氣體傳感的靈敏度。
為突破上述瓶頸，天津大學精密儀器與光電子工程學院程振洲教授課題組提出了一種兼具低光學損耗、高倏逝場占比、大加工容差的新型納米薄膜硅基波導架構，實驗驗證了該器件用于甲烷氣體TDLAS傳感的可行性，在1653.7 nm波長處，傳感器的實時測量檢測限低于5%，信號幅值線性擬合的系數達到0.99，為光子芯片在氣體傳感領域的應用提供了可行的研究方案。
如圖1所示，波導中的傳輸光通過倏逝場與環境氣體分子發生作用，在吸收波長處實現特異性吸收，通過測量波導器件的透射光強度獲得吸收響應，由此反推出環境中氣體的濃度信息，具體原理可以由比爾—朗伯定律描述。一般來講，通過提高空氣限制因子、降低光學損耗可以實現更長的等效吸收光程，能夠有效提升傳感器的靈敏度。納米薄膜硅基波導采用具有深亞波長厚度頂層硅的硅—絕緣體（silicon-on-insulator, SOI）晶圓設計，通過將倏逝場主要控制在具有原子級平滑度的硅基波導上表面，如圖1中插圖所示，平衡了高倏逝場占比和低光學損耗。同時，波導低有效折射率的特性，進一步提升器件的加工容差。器件使用電子束光刻和反應性離子刻蝕等標準半導體加工技術制作，并可與多項目晶圓（multi-project wafer，MPW）流片服務相兼容。
圖1 納米薄膜硅基波導氣體傳感器件示意圖和波導器件截面電場分布圖
光子芯片氣體傳感測試系統由光譜測量系統與氣體控制模塊組成，如圖2所示。實驗采用中心波長為1653.7 nm 的分布式反饋激光器（distributed feedback laser，DFB）作為光源，輸出光經偏振控制器調節偏振后，通過端面耦合器耦合入光子芯片，芯片輸出的光信號由單模光纖輸出并由InGaAs光電二極管功率計探測。光子芯片置于密閉氣室內，室內氣體濃度由氣體流量配比決定，并通過質量流量控制器（mass flow controller, MFC）精確調節。光子芯片上的螺旋波導器件掃描電鏡圖如插圖所示。
圖2 光子芯片氣體傳感測試系統示意圖和硅基螺旋波導器件掃描電鏡圖
基于所研發的硅基光子芯片和氣體傳感測試系統，開展了片上TDLAS氣體傳感實驗測試。首先，在不同甲烷氣體濃度下，測得直接吸收光譜（direct absorption spectroscopy，DAS）信號，通過窗口濾波與基線校正方法，可以去除由硅基光子芯片折射率差引起的標準具效應噪聲，獲得無偏移的DAS信號，實驗結果如圖3a所示。傳感器的實時檢測限低于5%。對歸一化的DAS差分信號在吸收峰處做線性擬合，幅值隨濃度變化表現高度線性，線性擬合決定系數超過0.99，如圖3b所示。此外，采用窗口濾波與數字鎖相算法提取了波長調制光譜（wavelength modulation spectrum，WMS）的二次諧波（2f）幅值，有效抑制了探測器暗電流引起的隨機噪聲，得到的無偏移2f信號隨甲烷氣體濃度升高而增大，如圖3c所示。為評估穩定性，在氣室內交替注入100% 氮氣和50% 甲烷氣體并記錄2f幅值響應，甲烷氣體開關時間約50 s。實驗結果顯示，器件具有良好可重復性，且氮氣吹掃后未見顯著滯后效應，如圖3d所示。
圖3 基于納米薄膜硅基波導器件的TDLAS甲烷傳感實驗結果。（a）DAS實驗結果；（b）DAS實驗結果的線性擬合；（c）WMS實驗結果；（d）甲烷氣體傳感的動態測試
綜上，本研究設計并制備了一種新型納米薄膜硅基傳感波導，驗證了其在TDLAS氣體傳感應用中的可行性。所制作的光子芯片甲烷傳感器能夠實現5%濃度甲烷氣體的實時檢測，有望應用于甲烷爆炸預警。此外，隨著先進光電異質集成器件和微納加工技術的不斷進步，片上氣體傳感技術將進一步向單片集成和痕量檢測方向發展，在安全生產、公共安全、極端環境監測等領域具有廣闊的應用前景。
光子芯片實驗室負責人：程振洲（IEEE/OPTICA/SPIE Senior Member），現任天津大學精密儀器與光電子工程學院英才教授、光電信息工程系系主任、光電信息技術教育部重點實驗室副主任、東京大學客座研究員。在Nature Photonics 等光學工程期刊和國際會議上發表論文300余篇，多次入選斯坦福大學發布的全球前2％頂尖科學家榜單。
延伸閱讀：
《硅光子及集成光路（PIC）技術及市場-2025版》
《盛思銳溫濕度傳感器SHT45產品分析》
《環境氣體傳感器技術及市場-2023版》
《SGX Sensortech微型MEMS催化燃燒式氣體傳感器MP7227產品分析》
《盛思銳氣體傳感器SGP40產品分析》
《盛思銳氣體傳感器SGP30產品分析》
