面向片上气体传感的中红外狭缝波导微腔增强吸收光谱技术研究

Compared with separated cavity-enhanced infrared absorption spectroscopy, on-chip absorption spectroscopy is more suitable for field/real-time/parallel/in-situ gas measurement. However, a few existing reported on-chip microcavity-enhanced mid-infrared absorption spectroscopy techniques still show many deficiencies in low-loss optical waveguide, high-quality resonant cavity, and novel spectroscopic sensing technique. In order to improve on-chip micro-scale spectrum detection precision and sensing capability, in this project, a kind of ‘target-gas-filled 3-8µm low-loss chalcogenide-glass-based slot waveguide’ will be investigated, and dual-absorption-enhanced gas sensing waveguide microcavity will be fabricated, by exploring the synergistic effects of on-chip micro-structural parameters on the characteristics of the resonant cavity. Furthermore, through understanding the micro-scale coupling and interaction among multi-fields of light/heat/gas concentration, a microcavity-enhanced mid-infrared absorption spectroscopic gas sensing chip will be developed via functional integration and device packaging. On this basis, physical generation mechanism of on-chip microcavity gas sensing noise will be revealed, and a new self-adaptive on-chip microcavity-enhanced mid-infrared absorption spectroscopy technique will be established. Expected research results will be of important academic significance and engineering applicative value for promoting multi-disciplines including laser spectroscopy, guided-wave optics, optoelectronics, sensor science, and for developing fully on-chip gas sensor system.

相比分立式腔增强红外吸收光谱技术，片上吸收光谱技术更适用于现场/实时/并行/原位气体检测。然而，现有少量报道的片上微腔增强中红外吸收光谱技术在“低损耗光波导/高品质谐振腔/新型光谱探测技术”方面仍存在诸多不足。为提升片上微观尺度光谱探测的精度并深度挖掘片上传感能力，本项目拟研究“目标气体填充的3-8µm低损耗硫系玻璃狭缝光波导”，通过探索片上微结构多参数对谐振腔特性的协同作用规律，制备出具有双重吸收增强作用的气体传感微腔。其次，明晰片上微观尺度内“光/热/气”多场耦合与相互作用，通过功能集成与封装，研制出微腔增强中红外吸收光谱气体传感芯片。在此基础上，揭示片上微腔气体传感噪声的物理产生机制，探索形成基于光电噪声动态感知的新型片上自适应微腔增强吸收光谱技术。项目预期成果对促进激光光谱学、导波光学、集成光电子学、传感科学的多学科交叉，研制全芯片化的气体传感系统，具有重要学术和工程应用价值。

相比分立式腔增强红外吸收光谱技术，片上吸收光谱技术更适用于现场/实时/并行/原位气体检测。为提升片上微观尺度光谱探测的精度并深度挖掘片上传感能力，本项目深入研究了具有双重吸收增强效应的中红外狭缝波导微腔增强吸收光谱技术，包括中红外硫系玻璃、纳米氧化物光波导介质薄膜的制备与表征、中红外光波导片上气体传感理论、中红外光波导片上气体传感器的优化设计与分析模拟、中红外光波导气体传感器的制备与表征、中红外光波导气体传感芯片的集成封装与参数调控、中红外光波导气体传感信号处理方法、中红外光波导气体传感器的性能测试与应用技术。采用热蒸镀、退火等工艺，制备了As2Se3、Ge-Sb-Se硫系玻璃（ChG）和氧化钼（MoO3）薄膜；设计了中红外硫系玻璃悬浮狭缝波导、水平狭缝波导微腔增强、表面增强红外吸收狭缝波导等新型气体传感器；采用剥离法、电感耦合等离子体刻蚀等工艺，制备了中红外ChG-on-SiO2、ChG-on-MgF2、MoO3-on-SiO2、绝缘体上硅（SOI）光波导气体传感器；研制了集温度、流速、压力控制于一体的光波导气体传感芯片；基于直接吸收光谱、波长调制光谱技术，建立了多种气体传感系统，测量了CH4（3.291µm）、CO2（4.319µm）。研制了长度为1cm、工作波长覆盖3-8µm的ChG-on-MgF2气体传感器，首次将波长调制光谱引入片上气体传感，对CO2检测下限为0.3%，比直接吸收光谱降低8倍以上。项目研究成果已初步应用于页岩气检测和城市燃气管线巡检（技术委托项目）。科学意义：明晰了片上微结构多参数对气体传感特性的协同作用与联合优化方法，阐明了片上微观尺度内光/热/气复合场的相互耦合与作用，揭示了片上微腔增强吸收光谱信号中光/电域噪声的物理产生机制和抑制方法，为推进该技术的实用化提供了重要科学依据。项目负责人作为第一/通讯作者或指导教师，共发表与项目相关的论文67篇（SCI，47；EI，20），中科院I/II区及IEEE重要SCI期刊论文34篇；国际会议特邀报告4次；申请国家发明专利7件（授权4件）；培养青年教师3人，博士生6人（获学位3人）、硕士生10人（获学位8人）。项目成果被吉林汇谱科技有限公司、武汉安耐杰科技工程有限公司应用于页岩气检测和燃气泄漏巡检。