片上中紅外波長調制光譜氣體傳感技術簡析

光學氣體傳感器逐漸由體積較大的分立系統(tǒng)向片上集成系統(tǒng)演變，片上集成的光波導氣體傳感器具有便攜、功耗小、無需光路校準等優(yōu)點。氣體分子在中紅外波段的吸收系數比近紅外大，所以使用片上傳感器在中紅外波段進行氣體檢測可以獲得更好的性能。在片上傳感技術方面，與廣泛使用的直接吸收光譜（DAS）技術相比，具有抑制噪聲能力的波長調制光譜（WMS）技術很少用于片上波導氣體傳感器。

據麥姆斯咨詢報道，近期，吉林大學電子科學與工程學院集成光電子學國家重點聯合實驗室和吉林省紅外氣體傳感技術工程研究中心的科研團隊在《光學學報》期刊上發(fā)表了以“片上中紅外波長調制光譜氣體傳感技術”為主題的文章。該文章第一作者為皮明權，通訊作者為楊悅。

本文主要探究了基于中紅外硫系玻璃材料的光波導氣體傳感器，利用剝離法制備了下包層為氟化鎂（MgF?）、芯層為硫系玻璃的波導，在3291 nm波長處，利用WMS技術，開展了甲烷（CH?）檢測實驗。優(yōu)化了狹縫波導的結構后，在實驗結果的基礎上，根據實驗測試得到的噪聲，理論分析了狹縫波導氣體傳感器結合WMS技術的性能，研究了環(huán)境壓強和工藝誤差對狹縫波導氣體傳感器性能的影響。本工作為基于WMS的片上氣體傳感器的設計與制備提供了指導。

梯形光波導甲烷傳感器的制備與測試

傳感原理

傳感波導及系統(tǒng)的示意圖如圖1（a）所示，系統(tǒng)的主要單元為光源和探測器，傳感波導的長度為L。

圖1 傳感波導結構。（a）傳感波導及系統(tǒng)的示意圖；（b）梯形波導的截面結構；（c）狹縫波導的截面結構

基于紅外吸收光譜的片上氣體傳感原理遵循朗伯-比爾定律。在WMS技術中，在激光器的驅動信號上疊加高頻調制信號，對吸收信號解調并提取二次諧波，二次諧波的幅值反映了氣體濃度。仿真WMS傳感性能時，需要用到激光器的輸出功率和輸出波長隨驅動電流的變化特性、氣體吸收系數隨波長的變化特性。詳細的仿真方法可以參考先前的報道。

波導結構

波導的下包層為MgF?，MgF?在中紅外波段中具有較高的透過率，折射率約為1.4。波導的芯層為硫系玻璃，所用的硫系玻璃材料為Ge??Sb??Se??，折射率約為2.6。梯形波導的截面結構如圖1（b）所示。波導的制備流程如下：用熱蒸發(fā)法（IT-302，LJUHV）在硅（Si）襯底上沉積MgF?薄膜；用剝離法在MgF?包層上制備Ge??Sb??Se??芯層。波導的上包層為CH?，目標吸收波長為3291 nm。傳感波導的長度為2 cm。波導截面的掃描電子顯微鏡圖像如圖2所示，芯層呈現梯形結構，這是由剝離法的特性造成的。使用COMSOL軟件進行仿真計算得到γ=8%。在波導上集成了聚二甲基硅氧烷（PDMS）氣室用于后續(xù)的氣體傳感實驗。

圖2 波導截面結構的掃描電子顯微鏡圖像

傳感系統(tǒng)

基于WMS的波導氣體傳感系統(tǒng)圖如圖3所示。正交鎖相放大器的功能由基于LabVIEW的鎖相放大器實現。電流驅動器和溫度控制器用于驅動帶間級聯激光器（ICL，Nanoplus，德國）。ICL發(fā)射的波長約3291 nm的光，通過反射形準直器（RC08，Thorlabs，美國）耦合到單模氟化銦（InF3）光纖（Le Verre Fluoré，法國）。

對波導與單模光纖進行端面耦合，用碲鎘汞（MCT）探測器（PVI-4TE-5，VIGO System，波蘭）探測波導的輸出光。探測器輸出的信號由數據采集卡（USB6361，National Instruments，美國）采集，由LabVIEW進行數據處理，得到二次諧波信號。數據采集卡產生疊加正弦波與三角波的信號用于控制電流驅動器，以驅動ICL。氣體混合系統(tǒng)（Series 4000，Environics，芬蘭）控制純CH?和純氮氣的流速，以獲得不同體積分數的CH?氣體樣品。仿真的純CH?在3291 nm波長的吸收光譜如圖4所示，光程為1 cm。

圖3 基于WMS的波導氣體傳感器系統(tǒng)圖

圖4 仿真的純CH?的吸收光譜

傳感性能

對基于WMS的波導傳感器性能進行了分析。將體積分數分別為0、1×10?1、2×10?1、3×10?1和4×10?1的CH?樣品通入PDMS氣室。將CH?樣品注入氣室之前，將純N?通入氣室以除去殘留的CH?。圖5（a）為CH?體積分數4×10?1條件下，測得的二次諧波信號。圖5（b）為CH?體積分數從0到4×10?1條件下，二次諧波幅值數據點、相應擬合結果以及仿真的二次諧波幅值數據點。傳感器的線性度較高，仿真結果與實驗結果吻合較好，表明仿真模型具有較好的準確性，為后續(xù)狹縫波導氣體傳感器的仿真提供了支持。將純N?通入氣室，此時氣體對光沒有吸收，測得系統(tǒng)的噪聲水平為0.15 mV，之后將根據實驗測得的噪聲結果進行理論研究。

圖5 CH?傳感結果。（a）CH?體積分數4×10?1下的二次諧波信號；（b）不同甲烷體積分數下的二次諧波幅值、二次諧波幅值擬合結果和仿真的二次諧波幅值

狹縫波導傳感器優(yōu)化與性能模擬

狹縫波導的結構優(yōu)化

狹縫波導的截面結構如圖1（c）所示，狹縫波導在非懸浮結構的波導中具有較大的γ，結構較懸浮波導更加穩(wěn)定。接下來，研究狹縫波導傳感器的性能。設定狹縫波導的下包層為MgF?，芯層為Ge??Sb??Se??。在優(yōu)化狹縫波導時，需要使狹縫波導的有效折射率大于MgF?的折射率（1.36），獲取較大的γ，并考慮制備工藝的可行性。γ和波導的TE模式有效折射率隨芯層厚度的變化如圖6（a）所示，此時狹縫寬度為50 nm，狹縫兩側條形結構的寬度為0.6 μm。γ和波導的有效折射率隨芯層厚度的增大而增大，芯層厚度要大于390 nm才能滿足導模條件。

同時，為了便于狹縫的制備，需要盡可能地減小芯層厚度來降低刻蝕難度，因此芯層厚度取為0.4 μm，芯層厚度可以通過校準熱蒸發(fā)設備的膜厚儀來保障。γ和波導的TE模式有效折射率隨狹縫兩側條形結構的寬度的變化如圖6（b）所示，此時狹縫寬度為50 nm，芯層厚度為0.4 μm。γ和波導的有效折射率隨狹縫兩側條形結構的寬度的增大而增大，狹縫兩側條形結構的寬度要大于590 nm才能滿足導模條件，狹縫兩側條形結構的寬度對γ的影響相對于芯層厚度的影響較小，因此狹縫兩側條形結構的寬度取0.6 μm，狹縫兩側條形結構的寬度可以通過優(yōu)化光刻和刻蝕的工藝參數得到保障。

γ和波導的TE模式有效折射率隨狹縫寬度的變化如圖6（c）所示，此時狹縫兩側條形結構的寬度為0.6 μm，芯層厚度為0.4 μm。γ和波導的有效折射率隨狹縫寬度的增大而減小，狹縫寬度要小于55 nm才能滿足導模條件，狹縫寬度太小又會增加制備難度，所以狹縫寬度取50 nm，狹縫寬度可以通過優(yōu)化光刻和刻蝕的工藝參數得到保障。狹縫寬度為50 nm、芯層厚度為0.4 μm、狹縫兩側條形結構的寬度為0.6 μm時，仿真得到γ=0.42，光場分布見圖7（a）的插圖。

圖6 狹縫波導的優(yōu)化。（a）γ和波導的TE模式有效折射率隨芯層厚度的變化；（b）γ和波導的TE模式有效折射率隨狹縫兩側條形結構寬度的變化；（c）γ和波導的TE模式有效折射率隨狹縫寬度的變化

圖7 狹縫波導的仿真性能結果。（a）不同αWG條件下，2f幅值隨L的變化（插圖：狹縫波導的光場分布）；（b）不同αWG條件下，Cmin隨L的變化

狹縫波導傳感器的性能模擬

狹縫波導傳感器的二次諧波幅值在不同波導損耗αWG條件下隨L的變化如圖7（a）所示，這里CH?體積分數C=1×10?2。在不同αWG條件下，狹縫波導傳感器的Cmin隨L的變化如圖7（b）所示?？梢园l(fā)現，當αWG=0 dB/cm時，二次諧波幅值隨L的增加而線性增大。當αWG=3 dB/cm、長度為Lopt時，狹縫波導的Cmin約為1×10?3。所以，當αWG<3 dB/cm時，Cmin才可以小于1×10?3，此時不同損耗條件下的Lopt<5 cm。可知，同時制備長度為1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm的波導可以盡可能地使波導長度接近于不同αWG條件下的Lopt，最大限度地避免波導損耗變化帶來的影響。此外，進一步減小系統(tǒng)的噪聲也可以降低Cmin。

環(huán)境壓強對狹縫波導傳感器的影響

環(huán)境壓強會影響氣體分子的吸收系數，以上仿真和實驗工作是在常壓環(huán)境下進行的，之后將理論分析改變環(huán)境壓強對狹縫波導氣體傳感器性能的影響。改變氣體分子的吸收系數將直接影響二次諧波的幅度。從圖7的仿真結果可知，在狹縫波導損耗為3 dB/cm、長度為1 cm、環(huán)境壓強為1×10? Pa時，仿真的二次諧波幅度為1.81 mV，Cmin為1.1×10?3。在環(huán)境壓強為7×10?~1.3×10? Pa的范圍內，環(huán)境壓強對二次諧波的幅度和Cmin的影響如圖8所示。隨著壓強的增大，氣體分子的吸收系數減小，導致二次諧波幅度的降低和Cmin的升高，但是在該壓強變化范圍內，Cmin的變化量小于1.2×10??，因此環(huán)境壓強變化帶來的影響可以忽略。

圖8 環(huán)境壓強對二次諧波的幅度和Cmin的影響

工藝誤差對狹縫波導傳感器的影響

工藝誤差會直接影響γ，之后將理論分析工藝誤差對狹縫波導氣體傳感器性能的影響。在狹縫波導損耗為3 dB/cm、長度為1 cm時，工藝誤差對狹縫波導傳感器的影響如圖9所示。芯層厚度的誤差和狹縫兩側條形結構的寬度的誤差在±0.2 μm范圍內時，γ的相對誤差分別在±8%和±5%范圍內，Cmin在±1×10??范圍內。狹縫寬度的誤差在±5 nm范圍內時，γ的相對誤差在±2%范圍內，Cmin在±7×10??范圍內。在工藝較成熟的條件下，芯層厚度的誤差對傳感器性能的影響最大，因此需要通過控制工藝精度來確保芯層厚度的大小。

圖9 工藝誤差對狹縫波導傳感器性能的影響。（a）γ的相對誤差和Cmin隨芯層厚度的變化；（b）γ的相對誤差和Cmin隨狹縫兩側條形結構寬度的變化；（c）γ的相對誤差和Cmin隨狹縫寬度的變化

結論

本文制備了下包層為MgF?、芯層為Ge??Sb??Se??的光波導CH?傳感器，將WMS技術與片上光波導氣體傳感器相結合，進行了CH?傳感實驗，實驗測試得到的二次諧波幅度與仿真結果一致，證明了仿真模型的準確性。根據實驗測得的系統(tǒng)噪聲結果，研究了狹縫波導CH?傳感器結合WMS技術后的性能，仿真了波導參數對狹縫波導傳感器性能的影響，減小αWG、選擇合適的波導長度可以增加二次諧波幅值，提升傳感器的性能。當αWG<3 dB/cm時，Cmin<1×10?3。理論分析了環(huán)境壓強和工藝誤差對狹縫波導氣體傳感器性能的影響，在狹縫波導損耗為3 dB/cm，長度為1 cm，環(huán)境壓在7×10?~1.3×10? Pa范圍內變化時，Cmin的變化量小于1.2×10??，環(huán)境壓強變化帶來的影響可以忽略。芯層厚度的誤差對傳感器性能的影響最大，所以需要確保芯層厚度的大小。本工作為基于WMS的片上氣體傳感器的設計提供了指導。

審核編輯：劉清