多數(shù)氣體分子在近紅外波段（0.8~2.5 μm）和中紅外波段（2.5~20 μm）具有指紋吸收譜線，基于紅外光譜法的氣體檢測技術(shù)具有選擇性好、響應(yīng)速度快等顯著優(yōu)點，在醫(yī)療衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。在過去的20年里，基于紅外吸收光譜的片上氣體傳感器被廣泛研究，實現(xiàn)了由理論到實驗、由分立到集成的轉(zhuǎn)變。

片上氣體傳感器通過消逝場進(jìn)行傳感，體積小、便攜、成本低。在單個芯片上集成激光器和探測器后，環(huán)境振動的影響可以被忽略，無需調(diào)節(jié)光路耦合。此外，光波導(dǎo)氣體傳感器是免標(biāo)記的，而且其他的物理效應(yīng)易與波導(dǎo)傳感器結(jié)合。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，吉林大學(xué)、吉林省紅外氣體傳感技術(shù)工程研究中心與中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所的聯(lián)合科研團隊在《光子學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“片上紅外氣體傳感技術(shù)的研究進(jìn)展（特邀）”為主題的文章。該文章第一作者為皮明權(quán)，通訊作者為鄭傳濤教授，主要從事紅外激光光譜氣體傳感系統(tǒng)與應(yīng)用方面的研究工作。

本文關(guān)注基于紅外吸收光譜的片上氣體傳感器。首先，介紹了基于紅外吸收光譜的片上氣體傳感器的傳感方法；然后介紹了不同的波導(dǎo)材料和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)；然后介紹了片上氣體傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀；最后對基于紅外吸收光譜的片上氣體傳感器的應(yīng)用和發(fā)展方向做出了分析和總結(jié)。

片上氣體傳感方法

在傳感時，氣體分析物成為了波導(dǎo)的包層。部分光沒有被限制在芯層中，被稱為消逝場，并且分析物包層中的光與分析物相互作用。以矩形波導(dǎo)為例，矩形波導(dǎo)的上包層為氣體，即氣體既是包層材料，又是分析物，矩形波導(dǎo)的下包層為固體材料，上包層和下包層共同對芯層的光產(chǎn)生限制作用，準(zhǔn)TE ?模式波導(dǎo)的光場分布如圖1（a）所示，在xy平面和yz平面的波導(dǎo)消逝場分布如圖1（b）和（c）所示。不同濃度分析物的折射率和消光系數(shù)影響了波導(dǎo)模式的有效折射率（Neff）和輸出強度。

圖1 波導(dǎo)的光場分布和消逝場分布

已報道的基于紅外吸收光譜的片上氣體傳感器的傳感方法有直接吸收光譜（DAS）、波長調(diào)制光譜（WMS）和微腔增強吸收光譜（MCEAS）。其他常用的片上傳感方法是折射率傳感，根據(jù)諧振峰或干涉峰隨不同濃度分析物的紅移或藍(lán)移測定分析物，通過游標(biāo)效應(yīng)可以有效提高折射率傳感器的靈敏度，但是折射率傳感不具有選擇性，傳感器會對具有不同折射率的待測物產(chǎn)生響應(yīng)。

DAS是最常用的片上氣體傳感方法，其檢測原理為朗伯-比爾定律。DAS技術(shù)通過檢測有無待測物時波導(dǎo)輸出光強的變化來檢測待測物的濃度，圖2（a）中，使用DAS技術(shù)檢測待測物時，根據(jù)光強的變化直接獲得吸光度。除了具有光程小的缺點，與基于分立單元的氣體傳感器相比，傳感波導(dǎo)具有損耗，影響了輸出光強的幅值，降低了信噪比。此外，分立式氣體傳感器利用自由空間光進(jìn)行傳感，所以分立傳感系統(tǒng)的ECF為1，而片上氣體傳感器利用波導(dǎo)的消逝場進(jìn)行傳感，ECF一般小于1，這限制了吸收。

除了圖2（a）中展示的矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有慢光效應(yīng)和表面增強紅外吸收效應(yīng)的波導(dǎo)也可以用于DAS傳感。慢光效應(yīng)通過增加ng來提高光與氣體的相互作用效果，用于慢光傳感的結(jié)構(gòu)有亞波長光柵和光子晶體波導(dǎo)。通過在光子晶體波導(dǎo)中引入缺陷可以讓光在某一路徑中傳輸，與光子晶體波導(dǎo)相比，亞波長光柵的光柵周期可以隨著波長的增加而增加，亞波長光柵的損耗低并且更容易制備。表面增強紅外吸收效應(yīng)利用波導(dǎo)表面粗糙的金屬結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振來增強吸收，但是金屬結(jié)構(gòu)會增加波導(dǎo)損耗。

圖2 不同片上傳感技術(shù)的光譜響應(yīng)

與DAS技術(shù)相比，WMS技術(shù)可以抑制噪聲（例如1/f噪聲），提高片上氣體傳感器的性能。WMS技術(shù)在激光器驅(qū)動信號中疊加高頻正弦波，通過鎖相放大器對吸收信號進(jìn)行解調(diào)，提取二次諧波，圖2（b）中表示使用WMS技術(shù)檢測待測物時，可以根據(jù)二次諧波幅度的大小得到氣體濃度。與DAS技術(shù)類似，與基于分立傳感系統(tǒng)的WMS技術(shù)相比，傳感波導(dǎo)的損耗會降低光功率，從而降低二次諧波的幅度，影響信噪比。

MCEAS技術(shù)利用環(huán)形諧振器（圖2（c））對氣體進(jìn)行檢測，耦合進(jìn)入微腔中的光通過諧振使光程增加，通過檢測諧振峰光強或者品質(zhì)因數(shù)來獲取氣體濃度。當(dāng)檢測光強變化時，原理與DAS一樣；當(dāng)檢測品質(zhì)因數(shù)時，隨著分析物濃度的增大，品質(zhì)因數(shù)會降低。與CEAS技術(shù)相比，MCEAS技術(shù)中的波導(dǎo)微腔對應(yīng)了CEAS技術(shù)中的具有高反射率透鏡的諧振腔，環(huán)形波導(dǎo)與直波導(dǎo)耦合處的振幅傳輸系數(shù)和振幅透射系數(shù)分別對應(yīng)了CEAS技術(shù)中的透鏡反射率和透射率，波導(dǎo)的損耗也會限制MCEAS技術(shù)的性能。

片上氣體傳感器

通常，αint、ECF和L這三個參數(shù)共同影響片上傳感器的性能。研究片上傳感器的主要目標(biāo)是降低檢測下限，這決定了它的應(yīng)用前景。提高片上氣體傳感器性能的五個關(guān)鍵問題是：1）選擇合適的芯層和包層材料，降低器件在工作波長的吸收損耗；2）選擇和優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，提高ECF；3）考慮制備工藝的可行性和成本；4）根據(jù)αint選擇合適的L，提高信噪比；5）選擇合適的光譜傳感技術(shù)。

波導(dǎo)材料

當(dāng)選擇波導(dǎo)材料時，需要滿足以下條件：1）波導(dǎo)材料應(yīng)該在傳感波長范圍透明來減少材料的吸收損耗；2）芯層和包層的折射率差應(yīng)該盡可能大，減小包層材料的折射率可以減少分布在包層和襯底的光，當(dāng)芯層和包層的折射率差較大時，減小芯層的尺寸可以使更多的光分布在分析物包層中來獲得大的ECF并滿足導(dǎo)模條件；3）芯層材料的制備工藝需要與包層材料的性質(zhì)兼容，例如，除了二氧化硅（SiO?）外，難以制備晶體硅（Si）或?qū)⑵滏I合在其他材料上。

常用的波導(dǎo)材料及其紅外光學(xué)特性見表1。中紅外波段的αgas比近紅外波段大，在相同光程下，中紅外氣體傳感器性能更好。絕緣體上的硅（SOI）波導(dǎo)不適合用于中紅外傳感，因為SiO?在中紅外波段的吸收損耗更大。氮化物上的硅（SON）波導(dǎo)和藍(lán)寶石上的硅（SOS）波導(dǎo)吸收損耗很小。除了Si以外，鍺（Ge）和硫系玻璃（ChG）在中紅外波段具有較大的折射率，適合作為波導(dǎo)芯層。ChG主要包括硫族元素硫（S）、硒（Se）和碲（Te），還包括砷（As）、鎵（Ga）、銻（Sb）和Ge等元素。

由于ChG的轉(zhuǎn)化溫度低（150~500℃），因此除了刻蝕方法，ChG波導(dǎo)也可以使用剝離法制備，不會破壞光刻膠掩模的結(jié)構(gòu)。通過改變ChG成分可以獲得不同的光學(xué)特性，其中碲化物玻璃的透明波長可以達(dá)到20μm。根據(jù)波導(dǎo)導(dǎo)模的條件，表1中折射率比ChG低的材料都可以作為ChG波導(dǎo)的下包層材料。ChG上的ChG（COC）波導(dǎo)和CaF?上的ChG（COF）波導(dǎo)都被提出用于中紅外傳感。雖然SiO?不適合應(yīng)用在中紅外波段，但是其折射率低，適合作為近紅外波導(dǎo)的下包層材料，SiO?上的ChG（COO）波導(dǎo)，SOI波導(dǎo)和SiO?上的Si?N?（NOO）波導(dǎo)都被用于近紅外氣體傳感。

表1 常用的波導(dǎo)材料及其紅外光學(xué)特性

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)影響ECF，所以選擇并優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)很重要。在常規(guī)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，常用的消逝場傳感波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖3所示。最常用的結(jié)構(gòu)為矩形和脊型結(jié)構(gòu)，分別如圖3（a）和（b）所示。自下向上，波導(dǎo)的各介質(zhì)層依次為襯底、下包層、芯層，其余部分為氣體包層。由于大部分光被限制在矩形波導(dǎo)和脊型波導(dǎo)的芯層中，導(dǎo)致ECF較小。狹縫波導(dǎo)限制光在狹縫中傳輸，可以獲得更大的ECF，豎直狹縫的結(jié)構(gòu)如圖3（c）所示。但是豎直狹縫波導(dǎo)的狹縫區(qū)域需要通過干法刻蝕獲得，使狹縫區(qū)域的側(cè)壁粗糙，狹縫對光的限制使散射損耗高于矩形波導(dǎo)和脊型波導(dǎo)。

此外，狹縫區(qū)域的寬度一般在100 nm左右，對光刻和刻蝕工藝有較高的要求。在考慮散射損耗后，TM模式的SOI矩形波導(dǎo)的性能比SOI豎直狹縫波導(dǎo)的性能高3倍。水平狹縫波導(dǎo)可以通過濕法刻蝕制備，結(jié)構(gòu)如圖3（d）所示，狹縫區(qū)域的側(cè)壁相對于豎直狹縫波導(dǎo)更光滑，所以具有更小的散射損耗。以上波導(dǎo)均為非懸浮結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，有一部分光被限制在下包層中，限制了ECF。基座波導(dǎo)為半懸浮結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)，可以通過刻蝕芯層底部進(jìn)行制備，結(jié)構(gòu)如圖3（e）所示。基座波導(dǎo)通過基座結(jié)構(gòu)支撐芯層，去除基座區(qū)域就可以充分利用下包層進(jìn)行傳感，這是懸浮波導(dǎo)的優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)如圖3（f）所示，最常見的懸浮波導(dǎo)的芯層結(jié)構(gòu)是脊形結(jié)構(gòu)，通過芯層兩側(cè)未刻蝕的下包層進(jìn)行支撐。

圖3 消逝場傳感波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

一般情況下，傳感波導(dǎo)的長度可大于1 cm。如果波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)是直波導(dǎo)，器件的尺寸會變得更大。為了減小直波導(dǎo)在光傳播方向的尺寸，可采用彎曲波導(dǎo)和螺旋波導(dǎo)，結(jié)構(gòu)分別如圖4（a）和（b）所示。這時，需要考慮彎曲損耗的影響，對于SOI波導(dǎo)，考慮彎曲損耗時，彎曲半徑可以<50 μm，而且1 m長的波導(dǎo)可以制備到1 cm2的區(qū)域。TOMBEZ L等提出了SOI彎曲波導(dǎo)氣體傳感器，傳感波導(dǎo)長度為10 cm，器件的尺寸為16 mm2。HAN Z等和LIU Qiankun等提出的COO螺旋波導(dǎo)傳感器和SiGe螺旋波導(dǎo)傳感器的最小半徑分別為100 μm和600 μm。當(dāng)半徑大于70 μm時，COC波導(dǎo)的彎曲損耗可以忽略。綜上所述，不同材料體系的波導(dǎo)傳感器的彎曲半徑應(yīng)至少大于50 μm。

圖4 彎曲波導(dǎo)和螺旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

除了常規(guī)結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)外，具有慢光效應(yīng)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用于氣體檢測，慢光效應(yīng)通過增加ng并減小群速度來提高ECF，增強光與分析物的作用。用于慢光傳感的亞波長光柵和光子晶體波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)分別如圖5（a）和（b）所示，亞波長光柵為一維光子晶體結(jié)構(gòu)，光子晶體波導(dǎo)為二維光子晶體結(jié)構(gòu)。通過在光子晶體波導(dǎo)中引入缺陷可以讓光在某一路徑中傳輸。與傳統(tǒng)的狹縫波導(dǎo)類似，狹縫光子晶體波導(dǎo)將光限制在狹縫中，結(jié)構(gòu)如圖5（c）所示。狹縫亞波長光柵將狹縫結(jié)構(gòu)引入亞波長光柵來提高傳感性能，狹縫亞波長光柵的結(jié)構(gòu)如圖5（d）所示。與常規(guī)波導(dǎo)一樣，懸浮結(jié)構(gòu)也可以用于具有慢光效應(yīng)的波導(dǎo)，懸浮亞波長光柵和懸浮狹縫光子晶體波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)分別如圖5（e）和（f）所示。與光子晶體波導(dǎo)相比，亞波長光柵的損耗較低并且更容易制備，因為亞波長光柵的光柵周期可以隨著波長的增加而增加。

圖5 具有慢光效應(yīng)的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

片上氣體傳感器的理論設(shè)計

在制備片上氣體傳感器前，需要通過理論設(shè)計來優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并提高傳感器的性能。

與脊形波導(dǎo)相比，矩形波導(dǎo)的制備工藝更簡單，而且兩種結(jié)構(gòu)性能相近，所以矩形波導(dǎo)的理論研究工作和實驗工作更多。矩形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)較其他波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)最為簡單，所以國內(nèi)外的研究工作偏向于對不同材料體系和不同工作波長的矩形波導(dǎo)進(jìn)行設(shè)計分析，工作波長多為中紅外，難以在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)。DAS技術(shù)通過光強的變化分析待測物的濃度，原理較其他技術(shù)簡單，所以被廣泛用于片上氣體傳感器的理論設(shè)計和實驗中。使用多孔材料可以有效提高矩形波導(dǎo)的傳感性能，孔中分布的氣體也可以和光相互作用。

與矩形波導(dǎo)氣體傳感器的研究進(jìn)展類似，早期人們對狹縫波導(dǎo)氣體傳感器的研究工作主要是針對不同材料和不同工作波長進(jìn)行的。除了材料體系和工作波長的改變，其他新穎的具有更好性能的狹縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被提出，傳感波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)不再局限于傳統(tǒng)的狹縫波導(dǎo)。

基于紅外吸收光譜的微環(huán)諧振器氣體傳感器的理論研究工作較少。

光子晶體波導(dǎo)傳感器的結(jié)構(gòu)較矩形波導(dǎo)傳感器和狹縫波導(dǎo)傳感器的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，更容易在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)以獲得更好的性能，但是其制備難度更大，SOI器件的制備工藝較其他材料體系的器件更為成熟，所以在設(shè)計優(yōu)化光子晶體波導(dǎo)傳感器時，一般使用SOI平臺。光子晶體波導(dǎo)中nm量級尺寸的微結(jié)構(gòu)對制備工藝要求極高，所以人們開始對相對容易制備的亞波長光柵氣體傳感器進(jìn)行理論研究。盡管亞波長光柵被提出用于折射率傳感，但是并沒有使用慢光效應(yīng)。

片上氣體傳感器的實驗進(jìn)展

早期，人們主要研究了非集成的矩形波導(dǎo)氣體傳感器，并使用DAS技術(shù)進(jìn)行氣體傳感實驗。2017年，TOMBEZ L等使用了一個長為10 cm的SOI彎曲矩形波導(dǎo)用于1651 nm波長處的CH?傳感，如圖6（a）所示。之后，矩形波導(dǎo)開始逐漸與光源、探測器集成，并用于氣體傳感。2019年，ZHANG E J等制備了用于1651 nm波長處CH?傳感的光子集成芯片，如圖7（a）所示，光子集成芯片包含了外腔激光器、SOI傳感波導(dǎo)、用于實時校準(zhǔn)的密封了CH?的氣室和探測器，波導(dǎo)傳感外殼由透氣膜包裹，這避免了灰塵污染，20 cm長的波導(dǎo)在積分時間小于1 s時的LoD<100 ppm，光子集成芯片傳感器可用于配置無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。另外，具有吸附氣體的功能材料也可以用于光波導(dǎo)氣體檢測。除了DAS技術(shù)外，WMS技術(shù)和表面增強紅外吸收（SEIRA）光譜技術(shù)也開始應(yīng)用于片上氣體傳感。

圖6 非集成的光波導(dǎo)氣體傳感器

圖7 全集成的片上氣體傳感平臺

懸浮波導(dǎo)的氣體傳感實驗進(jìn)展比矩形波導(dǎo)晚，因為其制備工藝難度更大。2020年，OTTONELLO-BRIANO F等制備了SOI懸浮矩形波導(dǎo)用于4.24 μm的CO?傳感2021年，VLK M等制備了芯層為Ta?O?的懸浮脊形波導(dǎo)用于2.566 μm的C?H?傳感，如圖6（b）所示。

微環(huán)諧振器氣體傳感器的研究工作主要針對化學(xué)蒸汽或氣溶膠，因為其吸收峰足夠?qū)挘恍枰紤]氣體吸收峰和微腔諧振峰的對齊問題，降低了對器件的要求。

2011年，LAI Weicheng等使用SOI孔狀光子晶體狹縫波導(dǎo)傳感器在~1.66 μm波長處檢測了CH?氣體，如圖6（d）所示。之后光子晶體波導(dǎo)傳感器的實驗工作也開始結(jié)合懸浮結(jié)構(gòu)來增強光與氣體的作用效果，并用于化學(xué)蒸汽傳感。

總結(jié)與展望

基于紅外吸收光譜的集成光子氣體傳感器在痕量氣體傳感中具有重要意義。在本文中，總結(jié)了基于紅外吸收光譜的片上氣體傳感器的最新進(jìn)展。闡述了片上氣體傳感方法、用于傳感的波導(dǎo)材料體系、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)對性能的影響、片上氣體傳感的理論進(jìn)展和實驗進(jìn)展。在傳感理論和實驗進(jìn)展中，介紹了矩形波導(dǎo)、懸浮波導(dǎo)、微環(huán)諧振器和光子晶體波導(dǎo)在片上氣體傳感領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀。

目前，全集成的片上傳感器已經(jīng)被報道，所以片上氣體傳感器在實際應(yīng)用中具有可行性，但是片上氣體傳感器仍然存在著許多科學(xué)問題，直接影響了傳感器的性能，仍有很大的發(fā)展空間。

1）片上氣體傳感最大的優(yōu)勢是小型化，但是光源、傳感波導(dǎo)和探測器的單片集成技術(shù)仍有待發(fā)展，這限制了片上氣體傳感器的應(yīng)用，此外，還需要傳感波導(dǎo)的材料體系和制備工藝與光源和探測器兼容。

2）可以使用新型紅外透明材料制備光波導(dǎo)，降低材料的吸收損耗。

3）片上氣體傳感器的長度也限制了靈敏度，可以通過其他的物理效應(yīng)增強傳感器的靈敏度，例如表面增強紅外吸收效應(yīng)、光熱效應(yīng)和吸附效應(yīng)，但是這也會引入新的問題：表面增強紅外吸收效應(yīng)會提高波導(dǎo)的損耗，光熱效應(yīng)會增加器件的復(fù)雜度，吸附效應(yīng)會增加傳感器的響應(yīng)時間。所以，需要同時考慮物理效應(yīng)帶來的負(fù)面影響在實際應(yīng)用中是否可以接受。

4）光波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)直接影響了外限制因子的大小，需要在滿足單片集成和具有較大外限制因子的前提下盡可能的降低工藝難度，以實現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

5）先進(jìn)的傳感技術(shù)（例如，波長調(diào)制光譜技術(shù)和光熱干涉光譜技術(shù)）可以降低傳感器的噪聲水平并提高靈敏度，但是這也引入了更多的電學(xué)模塊，所以同時需要考慮信號處理單元等電學(xué)模塊的芯片化，以實現(xiàn)傳感系統(tǒng)的小型化。

審核編輯：劉清