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研發了一種基于紅外吸收光譜技術的免校準氣體傳感芯片，成果獲得中國發明專利（ZL202411675536.3）授權。

在工業生產、環境監測、醫療健康等領域，高靈敏度、高穩定性的氣體傳感器具有重要意義。近年來，基于紅外吸收光譜技術的光學氣體傳感器因其靈敏度高、選擇性好、響應速度快等優勢，受到了廣泛關注。然而，現有紅外吸收光譜氣體傳感技術往往易受激光器老化、環境光強波動等因素影響，導致測量結果不穩定，難以實現免校準、高精度的氣體濃度檢測。

針對上述問題，本項研究提出了一種基于紅外吸收光譜技術的免校準氣體傳感芯片。該芯片由片上激光光源1、傳輸波導2、片上光開關3、氣體傳感波導陣列4和片上光探測器5組成。通過集成結構參數不同的波導陣列，并結合片上光開關實現光路的智能選通，可在單一激光器激勵下完成多通道氣體吸收光譜的采集與處理。

圖1.基于紅外吸收光譜技術的免校準氣體傳感芯片的結構示意圖

圖1展示了本芯片的整體結構示意圖。片上激光光源發出的光經傳輸波導傳播至片上光開關，通過光開關選通不同結構參數的氣體傳感波導。光在波導中傳播時與氣體分子發生紅外吸收作用，片上光探測器接收信號并傳輸至處理模塊，最終完成氣體濃度反演。在測量過程中，光信號通過倏逝場與環境氣體發生作用，氣體對特定波段光的吸收強度與其濃度成正比。片上光探測器采集不同長度波導的輸出光功率，并由單片機對所有通道的數據進行解碼、濾波、線性擬合，最終反演出氣體濃度。由于測量結果基于輸出光功率隨波導長度變化的斜率，而非絕對光強，有效避免了輸入光強波動或激光器老化帶來的測量誤差，實現了免校準氣體傳感。

本專利的學生第一發明人為天津大學精密儀器與光電子工程學院碩士研究生劉星宇同學，專利授權證書如圖2所示。該工作得到了天津市杰出青年科學基金項目（23JCJQJC00250）的支持。