近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的光子芯片實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一種基于紅外吸收光譜技術(shù)的免校準(zhǔn)氣體傳感芯片，成果獲得中國發(fā)明專利（ZL202411675536.3）授權(quán)。

在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康等領(lǐng)域，高靈敏度、高穩(wěn)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(shù)的光學(xué)氣體傳感器因其靈敏度高、選擇性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，受到了廣泛關(guān)注。然而，現(xiàn)有紅外吸收光譜氣體傳感技術(shù)往往易受激光器老化、環(huán)境光強(qiáng)波動(dòng)等因素影響，導(dǎo)致測量結(jié)果不穩(wěn)定，難以實(shí)現(xiàn)免校準(zhǔn)、高精度的氣體濃度檢測。

針對(duì)上述問題，本項(xiàng)研究提出了一種基于紅外吸收光譜技術(shù)的免校準(zhǔn)氣體傳感芯片。該芯片由片上激光光源1、傳輸波導(dǎo)2、片上光開關(guān)3、氣體傳感波導(dǎo)陣列4和片上光探測器5組成。通過集成結(jié)構(gòu)參數(shù)不同的波導(dǎo)陣列，并結(jié)合片上光開關(guān)實(shí)現(xiàn)光路的智能選通，可在單一激光器激勵(lì)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(shù)的免校準(zhǔn)氣體傳感芯片的結(jié)構(gòu)示意圖

圖1展示了本芯片的整體結(jié)構(gòu)示意圖。片上激光光源發(fā)出的光經(jīng)傳輸波導(dǎo)傳播至片上光開關(guān)，通過光開關(guān)選通不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的氣體傳感波導(dǎo)。光在波導(dǎo)中傳播時(shí)與氣體分子發(fā)生紅外吸收作用，片上光探測器接收信號(hào)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(hào)通過倏逝場與環(huán)境氣體發(fā)生作用，氣體對(duì)特定波段光的吸收強(qiáng)度與其濃度成正比。片上光探測器采集不同長度波導(dǎo)的輸出光功率，并由單片機(jī)對(duì)所有通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、濾波、線性擬合，最終反演出氣體濃度。由于測量結(jié)果基于輸出光功率隨波導(dǎo)長度變化的斜率，而非絕對(duì)光強(qiáng)，有效避免了輸入光強(qiáng)波動(dòng)或激光器老化帶來的測量誤差，實(shí)現(xiàn)了免校準(zhǔn)氣體傳感。

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