在環(huán)境監(jiān)測、可穿戴醫(yī)療等領域對便攜式傳感器的需求持續(xù)增長背景下，片上光子氣體傳感器憑借尺寸、重量、功耗與成本（SWaP-C）的顯著優(yōu)勢，成為近年來的研究熱點。傳統(tǒng)片上氣體傳感技術主要基于直接吸收光譜（DAS），依賴光子波導的倏逝場與氣體分子相互作用，但受限于光程短、邊緣噪聲殘留及光 - 氣相互作用弱等固有缺陷，檢測靈敏度多停留在百萬分之一（ppm）級別，難以滿足痕量氣體檢測需求。
光熱光譜（PTS）技術的興起為高靈敏度檢測提供了新路徑。該技術通過泵浦光激發(fā)氣體分子吸收能量并產(chǎn)生熱效應，引發(fā)周圍介質(zhì)折射率變化，再通過探測光的相位調(diào)制實現(xiàn)信號檢測，兼具折射率傳感的高靈敏度與吸收光譜的高特異性，且背景信號低、動態(tài)范圍大，抗邊緣噪聲能力優(yōu)于基于強度檢測的DAS技術。然而，現(xiàn)有片上PTS傳感器仍面臨關鍵瓶頸：倏逝場在光 - 氣作用區(qū)域占比小，導致吸收產(chǎn)熱效率低；固體襯底的快速熱耗散嚴重削弱熱積累效應，使得檢測靈敏度難以突破ppm級。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，香港理工大學、之江實驗室、吉林大學與中科院長春光機所組成的聯(lián)合研究團隊，提出了一種懸浮硫系波導增強型片上光熱光譜技術。該團隊通過引入懸浮波導結構，同時增強了光-氣體相互作用與局部熱積累能力，將光熱相位調(diào)制效率整體提升45倍。在僅1.2厘米長的芯片上，在近紅外波段實現(xiàn)了330 ppb的乙炔檢測下限、6個數(shù)量級的動態(tài)量程以及亞秒級響應時間，為下一代超高靈敏、片上集成光子氣體傳感器奠定了關鍵技術基礎。相關研究成果以“Suspended waveguide-enhanced near-infrared photothermal spectroscopy for ppb-level molecular gas sensing on a chalcogenide chip”為題發(fā)表在Light: Science & Applications期刊上。
懸浮波導增強光熱光譜（SWE-PTS）技術的核心原理是通過懸浮波導結構同時實現(xiàn)光學增強與熱增強，其工作機制如圖1所示。研究團隊設計并實現(xiàn)了一種懸浮硫系波導結構，去除了傳統(tǒng)波導的固體下包層，轉為以上下空氣作為包層，在波導下方形成微米級空氣“熱緩沖區(qū)”（空氣熱導率比SiO2低53倍）。這種結構主要有三個過程：（1）光熱激發(fā)過程：泵浦光波長調(diào)諧至目標氣體吸收線并進行正弦調(diào)制，沿懸浮硫系玻璃波導（ChGW）傳輸時產(chǎn)生強倏逝場，氣體分子吸收泵浦光能量后通過非輻射弛豫產(chǎn)生熱量，熱源功率與氣體濃度、吸收系數(shù)及光 - 氣限制因子（Γ）正相關；（2）熱積累與折射率調(diào)制：懸浮波導以空氣作為上下包層，空氣熱導率僅為二氧化硅（SiO?）的 1/50 以上，形成高效熱隔離緩沖層，大幅減少熱耗散；熱量積累引發(fā)波導及周圍氣體區(qū)域溫度變化，通過熱光效應（TOE）改變介質(zhì)折射率；（3）相位檢測與信號轉換：探測光感知折射率變化后產(chǎn)生相位調(diào)制，利用波導端面天然反射形成的法布里 - 珀羅（F-P）干涉儀，將相位變化轉換為可檢測的強度信號，實現(xiàn)高靈敏度檢測。
圖1 懸浮波導增強光熱光譜（SWE-PTS）原理
https://doi.org/10.1038/s41377-026-02196-7
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