基于硅光芯片的TDLAS甲烷传感样机研究

近日，天津大学光子芯片实验室开展了基于硅光芯片的TDLAS甲烷传感样机研究。成果发表在《中国激光》期刊的“精密测试技术及仪器全国重点实验室专辑”上，相关技术获得中国专利授权。

光学


气体检测技术具有特异性好、可靠性强、精度高、响应速度快等优点，在工业安全监测、环境保护等领域具有广阔的应用前景。其中，可调谐


半导体


激光吸收光谱（Tunable


Diode


Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS）技术基于气体分子的特征吸收谱线实现高选择性的组分识别与浓度反演，是应用最为广泛的光学气体检测手段之一。目前，小型化、集成化、智能化已成为TDLAS气体


传感器


的重要发展方向。

硅基光子芯片集成的TDLAS传感器是一种具有发展潜力的解决方案。依托成熟的CMOS工艺及先进的半导体封装技术，光子芯片能够在紧凑尺寸下集成多种


光电器件


，为


光学传感器


的低成本制造和长期稳定运行提供了重要支撑。研究人员已围绕增强片上光场与气体分子相互作用提出了多种波导结构。然而，采用标准流片工艺制造高性能片上甲烷传感芯片的报道仍较少。

针对上述问题，本项工作基于多项目晶圆（Multi-Project W


afe


r, MPW）工艺研制了硅基光学甲烷传感芯片，开发了适用于片上直接吸收光谱（Direct Absorption Spectroscopy, DAS）和波长调制光谱（Wavelength Modulation Spectrum, WMS）解调的双相软件锁相放大


算法


，研制了TDLAS甲烷检测仪器样机。样机可实现对体积分数为3%的甲烷的实时检测，浓度检测范围覆盖0%~50%，DAS与WMS


信号


的线性拟合优度R2均大于0.99，传感器的阿伦偏差检测限为445.9×10-6，为开发高灵敏度、高可靠性的气体传感


芯片技术


提供了新思路和可行性方案。

样机内部集成了传感模块与驱动采集模块，如图1所示。待测气体经气泵通入密闭气室，与封装在内的硅基螺旋波导的倏逝场发生相互作用。通过调节驱动电流，分布反馈式激光器（Distribu


te


d Feedb


ac


k Laser, DFB）输出


中心


波长稳定在2268.6 nm附近，经光纤耦合进入光子芯片。携带吸收信息的出射光由


光电




探测器


转换为电信号，经采集模块传输至


上位机


解调。

图1.基于硅基光子芯片的TDLAS甲烷检测系统样机。

如图2所示，硅基光子芯片采用混合曲线设计，外围波导采用阿基米德螺旋线，在有限的芯片面积内延长了光与气体的作用路径；中央连接区域采用基于欧拉曲线的过渡结构，实现波导宽度和曲率变化率的协同优化，有效降低了波导在弯曲处的辐射损耗和模式串扰。在硅-绝缘体（Silicon-on-Insulator, SOI）晶圆上制备了脊形波导螺旋线，显微镜照片如图2（d）所示。

图2.硅基光子芯片的设计与加工。（a）波导的光场限制因子、有效折射率与波导宽度的关系；（b）厚度为220 nm、宽度为3μm的SOI脊形波导TE0模式的截面电场分布；（c）片上混合曲线设计示意图；（d）波导显微镜照片。

针对片上WMS信号的解调需求，开发了基于基于有限脉冲响应（Finite Impulse Response, FIR）和凯塞（K


ai


ser）窗函数滤波的双相软件锁相放大算法，包括数据预处理、正交解调与相位校正三个环节，如图3所示。

图3.基于FIR-Kaiser滤波的双相软件锁相放大算法流程图及解调结果。

基于研制的样机，开展了甲烷传感实验。如图4（a）所示，在不同甲烷浓度条件下测量了DAS信号，对采集到的吸收信号进行窗口平滑滤波和基线校准处理，降低法布里-珀罗谐振导致的片上标准具噪声。实验结果表明，样机可实时检测到浓度低于3%的甲烷气体。对DAS信号进行归一化处理，并对吸收峰处的信号幅值进行线性拟合，拟合优度R²超过0.997，如图4（b）所示。在20%~50%的甲烷浓度条件下测量得到WMS吸收信号，并采用双相软件锁相放大算法提取2f信号幅值，线性拟合优度R²超过0.99，如图4（c）-（d）所示。重复性测试中，交替向气室中通入100%的氮气和60%的甲烷时，系统具有良好的基线恢复能力，无明显滞后效应，如图4（e）所示。在零气状态下计算阿伦偏差，最优平均时间为13.2 s时，阿伦偏差检测限达到最小值445.9×10-6，如图4（f）所示。

图4.基于硅光芯片的TDLAS甲烷传感实验结果。（a）DAS实验结果；（b）DAS实验结果的线性拟合；（c）WMS实验结果；（d）WMS实验结果的线性拟合；（e）重复性测试结果；（f）零气条件下的阿伦偏差计算结果。

本论文第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的本科生刘思宇，


通信


作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授。该工作得到了国家自然科学基金（62475188，62175179，62161160335）、天津市杰出青年科学基金项目（23JCJQJC00250）、广东省基础与应用基础研究基金粤港澳研究团队项目（2022B1515130002）的支持。

相关技术获中国实用新型专利（ZL202521559775.2）授权。本专利的第一发明人为天津大学精密仪器与光电子工程学院的本科生刘思宇，专利授权证书如图5所示。凭借相关研究成果，刘思宇同学获得2025年国家级大学生创新创业训练计划项目优秀结题，并获得第五届全国仪器类毕业设计大赛国赛一等奖。

图5.一种基于光子芯片的TDLAS气体传感系统专利授权证书。

图6.第五届全国仪器类毕业设计大赛获奖证书。