近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院的光子芯片實驗室與深圳大學合作，研發了一種基于懸空納米薄膜硅基（suspended nanomembrane silicon，SNS）微盤諧振腔的CO?傳感器，成果以"Suspended nanomembrane silicon micro-disk for cross-sensitivity-free, high-concentration, large-dynamic range CO?sensing"為題發表在《Sensors and Actuators: B. Chemical》期刊上。

高濃度二氧化碳（CO?）傳感在食品保鮮、工業過程等領域具有廣泛應用。硅基微型諧振器件因其高靈敏度和緊湊結構成為高濃度CO?折射率傳感的理想器件之一。通過檢測微型諧振器件倏逝場與CO?作用引起的器件光模式有效折射率的微小變化，可以實現高精度氣體濃度測量。然而，硅的高熱光系數導致這類傳感器對溫度變化極為敏感。即使采用溫控裝置穩定環境溫度，芯片局部溫度波動仍會引入顯著的測量誤差，這一交叉敏感問題嚴重制約了傳感器的應用。

為解決這一問題，本研究提出了一種新型的基于SNS微盤諧振腔的氣體檢測方法。利用SNS微盤諧振腔中兩個模式對溫度和CO2氣體濃度的線性不相關響應特性，實現片上雙參量雙模式傳感，解決了溫度的交叉敏感問題。如圖1所示，SNS微盤諧振腔采用70 nm厚的頂層硅設計，通過濕法刻蝕去除氧化埋層（BOX），形成具有空氣包層的懸空結構。同時，SNS微盤的超薄設計顯著抑制了微盤中的模式重疊，提升了傳感性能。

圖1.中紅外SNS波導微環諧振腔和SWG光柵耦合器示意圖。

所制作的SNS波導測試結果如圖2所示。圖2a-圖2c為SNS器件的掃描電鏡圖。圖2d是將光耦合到SNS微盤諧振腔中所使用的SNS亞波長光柵耦合器的功率譜線。圖2e展示了SNS微盤諧振腔的歸一化透射譜線，其中，模式1和模式2的品質因子分別為1.7×104和~1.5×104，展現出良好的雙模傳感潛力。

圖2. SNS波導器件表征結果。(a) SNS波導器件掃描電鏡圖像；(b) SNS微盤諧振腔的側視圖；(c) SNS微盤諧振腔與總線波導耦合區域的掃描電鏡放大圖像; (d) SNS亞波長光柵耦合器功率譜線; (e) SNS微盤諧振腔的歸一化透射譜線；（f）模式1的歸一化透射譜線；（g）模式2的歸一化透射譜線。

圖3 SNS微盤諧振腔的CO?濃度與溫度傳感實驗結果。(a)模式1和模式2在50% CO?(實線)和純N?(虛線)環境下中的透射譜；(b)模式1和模式2在25.00℃(虛線)和25.20℃(實線)環境下的透射譜；(c)不同CO?濃度下的SNS微盤諧振腔諧振峰偏移量；(d)不同溫度下的SNS微盤諧振腔諧振峰偏移量；(e) CO?濃度與溫度同時變化時的SNS微盤諧振腔的歸一化透射譜。

論文對SNS微盤的CO2傳感能力進行了測試，如圖3所示。實驗結果表明，模式2的CO2觸感靈敏度高于模式1，溫度傳感靈敏度低于模式1，實驗結果與仿真結果基本一致。同時，通過構建、測試傳感傳遞矩陣，實現了溫度與CO2氣體濃度的解耦。100% CO?下氣體濃度傳感誤差僅1.87%，驗證了該方法的可行性，為硅基光子芯片在氣體傳感領域的應用開辟了新途徑。

本論文第一作者為天津大學精密儀器與光電子工程學院的碩士研究生郎玘玥，通信作者為天津大學精密儀器與光電子工程學院的程振洲教授、張尊月副研究員，以及深圳大學物理與光電工程學院的王佳琦副教授。該工作得到了國家重點研發計劃課題（2024YFF0907701、2024YFF0907702）；國家自然科學基金（62175179, 62161160335, 62475188）天津市自然科學基金(23JCJQJC00250)和廣東省自然科學基金(2022B1515130002, 2023A1515011189)的項目支持。