片上中红外波长调制光谱气体传感技术简析

光学气体传感器逐渐由体积较大的分立系统向片上集成系统演变，片上集成的光波导气体传感器具有便携、功耗小、无需光路校准等优点。气体分子在中红外波段的吸收系数比近红外大，所以使用片上传感器在中红外波段进行气体检测可以获得更好的性能。在片上传感技术方面，与广泛使用的直接吸收光谱（DAS）技术相比，具有抑制噪声能力的波长调制光谱（WMS）技术很少用于片上波导气体传感器。

据麦姆斯咨询报道，近期，吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室和吉林省红外气体传感技术工程研究中心的科研团队在《光学学报》期刊上发表了以“片上中红外波长调制光谱气体传感技术”为主题的文章。该文章第一作者为皮明权，通讯作者为杨悦。

本文主要探究了基于中红外硫系玻璃材料的光波导气体传感器，利用剥离法制备了下包层为氟化镁（MgF₂）、芯层为硫系玻璃的波导，在3291 nm波长处，利用WMS技术，开展了甲烷（CH₄）检测实验。优化了狭缝波导的结构后，在实验结果的基础上，根据实验测试得到的噪声，理论分析了狭缝波导气体传感器结合WMS技术的性能，研究了环境压强和工艺误差对狭缝波导气体传感器性能的影响。本工作为基于WMS的片上气体传感器的设计与制备提供了指导。

梯形光波导甲烷传感器的制备与测试

传感原理

传感波导及系统的示意图如图1（a）所示，系统的主要单元为光源和探测器，传感波导的长度为L。

图1 传感波导结构。（a）传感波导及系统的示意图；（b）梯形波导的截面结构；（c）狭缝波导的截面结构

基于红外吸收光谱的片上气体传感原理遵循朗伯-比尔定律。在WMS技术中，在激光器的驱动信号上叠加高频调制信号，对吸收信号解调并提取二次谐波，二次谐波的幅值反映了气体浓度。仿真WMS传感性能时，需要用到激光器的输出功率和输出波长随驱动电流的变化特性、气体吸收系数随波长的变化特性。详细的仿真方法可以参考先前的报道。

波导结构

波导的下包层为MgF₂，MgF₂在中红外波段中具有较高的透过率，折射率约为1.4。波导的芯层为硫系玻璃，所用的硫系玻璃材料为Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀，折射率约为2.6。梯形波导的截面结构如图1（b）所示。波导的制备流程如下：用热蒸发法（IT-302，LJUHV）在硅（Si）衬底上沉积MgF₂薄膜；用剥离法在MgF₂包层上制备Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀芯层。波导的上包层为CH₄，目标吸收波长为3291 nm。传感波导的长度为2 cm。波导截面的扫描电子显微镜图像如图2所示，芯层呈现梯形结构，这是由剥离法的特性造成的。使用COMSOL软件进行仿真计算得到γ=8%。在波导上集成了聚二甲基硅氧烷（PDMS）气室用于后续的气体传感实验。

图2 波导截面结构的扫描电子显微镜图像

传感系统

基于WMS的波导气体传感系统图如图3所示。正交锁相放大器的功能由基于LabVIEW的锁相放大器实现。电流驱动器和温度控制器用于驱动带间级联激光器（ICL，Nanoplus，德国）。ICL发射的波长约3291 nm的光，通过反射形准直器（RC08，Thorlabs，美国）耦合到单模氟化铟（InF3）光纤（Le Verre Fluoré，法国）。

对波导与单模光纤进行端面耦合，用碲镉汞（MCT）探测器（PVI-4TE-5，VIGO System，波兰）探测波导的输出光。探测器输出的信号由数据采集卡（USB6361，National Instruments，美国）采集，由LabVIEW进行数据处理，得到二次谐波信号。数据采集卡产生叠加正弦波与三角波的信号用于控制电流驱动器，以驱动ICL。气体混合系统（Series 4000，Environics，芬兰）控制纯CH₄和纯氮气的流速，以获得不同体积分数的CH₄气体样品。仿真的纯CH₄在3291 nm波长的吸收光谱如图4所示，光程为1 cm。

图3 基于WMS的波导气体传感器系统图

图4 仿真的纯CH₄的吸收光谱

传感性能

对基于WMS的波导传感器性能进行了分析。将体积分数分别为0、1×10⁻¹、2×10⁻¹、3×10⁻¹和4×10⁻¹的CH₄样品通入PDMS气室。将CH₄样品注入气室之前，将纯N₂通入气室以除去残留的CH₄。图5（a）为CH₄体积分数4×10⁻¹条件下，测得的二次谐波信号。图5（b）为CH₄体积分数从0到4×10⁻¹条件下，二次谐波幅值数据点、相应拟合结果以及仿真的二次谐波幅值数据点。传感器的线性度较高，仿真结果与实验结果吻合较好，表明仿真模型具有较好的准确性，为后续狭缝波导气体传感器的仿真提供了支持。将纯N₂通入气室，此时气体对光没有吸收，测得系统的噪声水平为0.15 mV，之后将根据实验测得的噪声结果进行理论研究。

图5 CH₄传感结果。（a）CH₄体积分数4×10⁻¹下的二次谐波信号；（b）不同甲烷体积分数下的二次谐波幅值、二次谐波幅值拟合结果和仿真的二次谐波幅值

狭缝波导传感器优化与性能模拟

狭缝波导的结构优化

狭缝波导的截面结构如图1（c）所示，狭缝波导在非悬浮结构的波导中具有较大的γ，结构较悬浮波导更加稳定。接下来，研究狭缝波导传感器的性能。设定狭缝波导的下包层为MgF₂，芯层为Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀。在优化狭缝波导时，需要使狭缝波导的有效折射率大于MgF₂的折射率（1.36），获取较大的γ，并考虑制备工艺的可行性。γ和波导的TE模式有效折射率随芯层厚度的变化如图6（a）所示，此时狭缝宽度为50 nm，狭缝两侧条形结构的宽度为0.6 μm。γ和波导的有效折射率随芯层厚度的增大而增大，芯层厚度要大于390 nm才能满足导模条件。

同时，为了便于狭缝的制备，需要尽可能地减小芯层厚度来降低刻蚀难度，因此芯层厚度取为0.4 μm，芯层厚度可以通过校准热蒸发设备的膜厚仪来保障。γ和波导的TE模式有效折射率随狭缝两侧条形结构的宽度的变化如图6（b）所示，此时狭缝宽度为50 nm，芯层厚度为0.4 μm。γ和波导的有效折射率随狭缝两侧条形结构的宽度的增大而增大，狭缝两侧条形结构的宽度要大于590 nm才能满足导模条件，狭缝两侧条形结构的宽度对γ的影响相对于芯层厚度的影响较小，因此狭缝两侧条形结构的宽度取0.6 μm，狭缝两侧条形结构的宽度可以通过优化光刻和刻蚀的工艺参数得到保障。

γ和波导的TE模式有效折射率随狭缝宽度的变化如图6（c）所示，此时狭缝两侧条形结构的宽度为0.6 μm，芯层厚度为0.4 μm。γ和波导的有效折射率随狭缝宽度的增大而减小，狭缝宽度要小于55 nm才能满足导模条件，狭缝宽度太小又会增加制备难度，所以狭缝宽度取50 nm，狭缝宽度可以通过优化光刻和刻蚀的工艺参数得到保障。狭缝宽度为50 nm、芯层厚度为0.4 μm、狭缝两侧条形结构的宽度为0.6 μm时，仿真得到γ=0.42，光场分布见图7（a）的插图。

图6 狭缝波导的优化。（a）γ和波导的TE模式有效折射率随芯层厚度的变化；（b）γ和波导的TE模式有效折射率随狭缝两侧条形结构宽度的变化；（c）γ和波导的TE模式有效折射率随狭缝宽度的变化

图7 狭缝波导的仿真性能结果。（a）不同αWG条件下，2f幅值随L的变化（插图：狭缝波导的光场分布）；（b）不同αWG条件下，Cmin随L的变化

狭缝波导传感器的性能模拟

狭缝波导传感器的二次谐波幅值在不同波导损耗αWG条件下随L的变化如图7（a）所示，这里CH₄体积分数C=1×10⁻²。在不同αWG条件下，狭缝波导传感器的Cmin随L的变化如图7（b）所示。可以发现，当αWG=0 dB/cm时，二次谐波幅值随L的增加而线性增大。当αWG=3 dB/cm、长度为Lopt时，狭缝波导的Cmin约为1×10⁻³。所以，当αWG<3 dB/cm时，Cmin才可以小于1×10⁻³，此时不同损耗条件下的Lopt<5 cm。可知，同时制备长度为1 cm、2 cm、3 cm、4 cm和5 cm的波导可以尽可能地使波导长度接近于不同αWG条件下的Lopt，最大限度地避免波导损耗变化带来的影响。此外，进一步减小系统的噪声也可以降低Cmin。

环境压强对狭缝波导传感器的影响

环境压强会影响气体分子的吸收系数，以上仿真和实验工作是在常压环境下进行的，之后将理论分析改变环境压强对狭缝波导气体传感器性能的影响。改变气体分子的吸收系数将直接影响二次谐波的幅度。从图7的仿真结果可知，在狭缝波导损耗为3 dB/cm、长度为1 cm、环境压强为1×10⁵ Pa时，仿真的二次谐波幅度为1.81 mV，Cmin为1.1×10⁻³。在环境压强为7×10⁴~1.3×10⁵ Pa的范围内，环境压强对二次谐波的幅度和Cmin的影响如图8所示。随着压强的增大，气体分子的吸收系数减小，导致二次谐波幅度的降低和Cmin的升高，但是在该压强变化范围内，Cmin的变化量小于1.2×10⁻⁵，因此环境压强变化带来的影响可以忽略。

图8 环境压强对二次谐波的幅度和Cmin的影响

工艺误差对狭缝波导传感器的影响

工艺误差会直接影响γ，之后将理论分析工艺误差对狭缝波导气体传感器性能的影响。在狭缝波导损耗为3 dB/cm、长度为1 cm时，工艺误差对狭缝波导传感器的影响如图9所示。芯层厚度的误差和狭缝两侧条形结构的宽度的误差在±0.2 μm范围内时，γ的相对误差分别在±8%和±5%范围内，Cmin在±1×10⁻⁴范围内。狭缝宽度的误差在±5 nm范围内时，γ的相对误差在±2%范围内，Cmin在±7×10⁻⁵范围内。在工艺较成熟的条件下，芯层厚度的误差对传感器性能的影响最大，因此需要通过控制工艺精度来确保芯层厚度的大小。

图9 工艺误差对狭缝波导传感器性能的影响。（a）γ的相对误差和Cmin随芯层厚度的变化；（b）γ的相对误差和Cmin随狭缝两侧条形结构宽度的变化；（c）γ的相对误差和Cmin随狭缝宽度的变化

结论

本文制备了下包层为MgF₂、芯层为Ge₂₈Sb₁₂Se₆₀的光波导CH₄传感器，将WMS技术与片上光波导气体传感器相结合，进行了CH₄传感实验，实验测试得到的二次谐波幅度与仿真结果一致，证明了仿真模型的准确性。根据实验测得的系统噪声结果，研究了狭缝波导CH₄传感器结合WMS技术后的性能，仿真了波导参数对狭缝波导传感器性能的影响，减小αWG、选择合适的波导长度可以增加二次谐波幅值，提升传感器的性能。当αWG<3 dB/cm时，Cmin<1×10⁻³。理论分析了环境压强和工艺误差对狭缝波导气体传感器性能的影响，在狭缝波导损耗为3 dB/cm，长度为1 cm，环境压在7×10⁴~1.3×10⁵ Pa范围内变化时，Cmin的变化量小于1.2×10⁻⁵，环境压强变化带来的影响可以忽略。芯层厚度的误差对传感器性能的影响最大，所以需要确保芯层厚度的大小。本工作为基于WMS的片上气体传感器的设计提供了指导。

审核编辑：刘清