光學(xué)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(dǎo)氣體傳感器具有便攜、功耗小、無需光路校準(zhǔn)等優(yōu)點。氣體分子在中紅外波段的吸收系數(shù)比近紅外大，所以使用片上傳感器在中紅外波段進(jìn)行氣體檢測可以獲得更好的性能。在片上傳感技術(shù)方面，與廣泛使用的直接吸收光譜（DAS）技術(shù)相比，具有抑制噪聲能力的波長調(diào)制光譜（WMS）技術(shù)很少用于片上波導(dǎo)氣體傳感器。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院集成光電子學(xué)國家重點聯(lián)合實驗室和吉林省紅外氣體傳感技術(shù)工程研究中心的科研團(tuán)隊在《光學(xué)學(xué)報》期刊上發(fā)表了以“片上中紅外波長調(diào)制光譜氣體傳感技術(shù)”為主題的文章。該文章第一作者為皮明權(quán)，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(dǎo)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(dǎo)，在3291 nm波長處，利用WMS技術(shù)，開展了甲烷（CH?）檢測實驗。優(yōu)化了狹縫波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)后，在實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，根據(jù)實驗測試得到的噪聲，理論分析了狹縫波導(dǎo)氣體傳感器結(jié)合WMS技術(shù)的性能，研究了環(huán)境壓強(qiáng)和工藝誤差對狹縫波導(dǎo)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(shè)計與制備提供了指導(dǎo)。

梯形光波導(dǎo)甲烷傳感器的制備與測試

傳感原理

傳感波導(dǎo)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(dǎo)的長度為L。

圖1 傳感波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。（a）傳感波導(dǎo)及系統(tǒng)的示意圖；（b）梯形波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)；（c）狹縫波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)

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(shù)中，在激光器的驅(qū)動信號上疊加高頻調(diào)制信號，對吸收信號解調(diào)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(qū)動電流的變化特性、氣體吸收系數(shù)隨波長的變化特性。詳細(xì)的仿真方法可以參考先前的報道。

波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。波導(dǎo)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(dǎo)的上包層為CH?，目標(biāo)吸收波長為3291 nm。傳感波導(dǎo)的長度為2 cm。波導(dǎo)截面的掃描電子顯微鏡圖像如圖2所示，芯層呈現(xiàn)梯形結(jié)構(gòu)，這是由剝離法的特性造成的。使用COMSOL軟件進(jìn)行仿真計算得到γ=8%。在波導(dǎo)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(dǎo)截面結(jié)構(gòu)的掃描電子顯微鏡圖像

傳感系統(tǒng)

基于WMS的波導(dǎo)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(xiàn)。電流驅(qū)動器和溫度控制器用于驅(qū)動帶間級聯(lián)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(zhǔn)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(dǎo)與單模光纖進(jìn)行端面耦合，用碲鎘汞（MCT）探測器（PVI-4TE-5，VIGO System，波蘭）探測波導(dǎo)的輸出光。探測器輸出的信號由數(shù)據(jù)采集卡（USB6361，National Instruments，美國）采集，由LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到二次諧波信號。數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生疊加正弦波與三角波的信號用于控制電流驅(qū)動器，以驅(qū)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?jǐn)?shù)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(dǎo)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(dǎo)傳感器性能進(jìn)行了分析。將體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)4×10?1條件下，測得的二次諧波信號。圖5（b）為CH?體積分?jǐn)?shù)從0到4×10?1條件下，二次諧波幅值數(shù)據(jù)點、相應(yīng)擬合結(jié)果以及仿真的二次諧波幅值數(shù)據(jù)點。傳感器的線性度較高，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，表明仿真模型具有較好的準(zhǔn)確性，為后續(xù)狹縫波導(dǎo)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(jù)實驗測得的噪聲結(jié)果進(jìn)行理論研究。

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

狹縫波導(dǎo)傳感器優(yōu)化與性能模擬

狹縫波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

狹縫波導(dǎo)的截面結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示，狹縫波導(dǎo)在非懸浮結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)中具有較大的γ，結(jié)構(gòu)較懸浮波導(dǎo)更加穩(wěn)定。接下來，研究狹縫波導(dǎo)傳感器的性能。設(shè)定狹縫波導(dǎo)的下包層為MgF?，芯層為Ge??Sb??Se??。在優(yōu)化狹縫波導(dǎo)時，需要使狹縫波導(dǎo)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(dǎo)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(cè)條形結(jié)構(gòu)的寬度為0.6 μm。γ和波導(dǎo)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(dǎo)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(zhǔn)熱蒸發(fā)設(shè)備的膜厚儀來保障。γ和波導(dǎo)的TE模式有效折射率隨狹縫兩側(cè)條形結(jié)構(gòu)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(dǎo)的有效折射率隨狹縫兩側(cè)條形結(jié)構(gòu)的寬度的增大而增大，狹縫兩側(cè)條形結(jié)構(gòu)的寬度要大于590 nm才能滿足導(dǎo)模條件，狹縫兩側(cè)條形結(jié)構(gòu)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(cè)條形結(jié)構(gòu)的寬度取0.6 μm，狹縫兩側(cè)條形結(jié)構(gòu)的寬度可以通過優(yōu)化光刻和刻蝕的工藝參數(shù)得到保障。

γ和波導(dǎo)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(cè)條形結(jié)構(gòu)的寬度為0.6 μm，芯層厚度為0.4 μm。γ和波導(dǎo)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(dǎo)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(shù)得到保障。狹縫寬度為50 nm、芯層厚度為0.4 μm、狹縫兩側(cè)條形結(jié)構(gòu)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(dǎo)的優(yōu)化。（a）γ和波導(dǎo)的TE模式有效折射率隨芯層厚度的變化；（b）γ和波導(dǎo)的TE模式有效折射率隨狹縫兩側(cè)條形結(jié)構(gòu)寬度的變化；（c）γ和波導(dǎo)的TE模式有效折射率隨狹縫寬度的變化

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

狹縫波導(dǎo)傳感器的性能模擬

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

環(huán)境壓強(qiáng)對狹縫波導(dǎo)傳感器的影響

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

圖8 環(huán)境壓強(qiáng)對二次諧波的幅度和Cmin的影響

工藝誤差對狹縫波導(dǎo)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(dǎo)氣體傳感器性能的影響。在狹縫波導(dǎo)損耗為3 dB/cm、長度為1 cm時，工藝誤差對狹縫波導(dǎo)傳感器的影響如圖9所示。芯層厚度的誤差和狹縫兩側(cè)條形結(jié)構(gòu)的寬度的誤差在±0.2 μm范圍內(nèi)時，γ的相對誤差分別在±8%和±5%范圍內(nèi)，Cmin在±1×10??范圍內(nèi)。狹縫寬度的誤差在±5 nm范圍內(nèi)時，γ的相對誤差在±2%范圍內(nèi)，Cmin在±7×10??范圍內(nèi)。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(dǎo)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(cè)條形結(jié)構(gòu)寬度的變化；（c）γ的相對誤差和Cmin隨狹縫寬度的變化

結(jié)論

本文制備了下包層為MgF?、芯層為Ge??Sb??Se??的光波導(dǎo)CH?傳感器，將WMS技術(shù)與片上光波導(dǎo)氣體傳感器相結(jié)合，進(jìn)行了CH?傳感實驗，實驗測試得到的二次諧波幅度與仿真結(jié)果一致，證明了仿真模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)實驗測得的系統(tǒng)噪聲結(jié)果，研究了狹縫波導(dǎo)CH?傳感器結(jié)合WMS技術(shù)后的性能，仿真了波導(dǎo)參數(shù)對狹縫波導(dǎo)傳感器性能的影響，減小αWG、選擇合適的波導(dǎo)長度可以增加二次諧波幅值，提升傳感器的性能。當(dāng)αWG<3 dB/cm時，Cmin<1×10?3。理論分析了環(huán)境壓強(qiáng)和工藝誤差對狹縫波導(dǎo)氣體傳感器性能的影響，在狹縫波導(dǎo)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(nèi)變化時，Cmin的變化量小于1.2×10??，環(huán)境壓強(qiáng)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(shè)計提供了指導(dǎo)。

審核編輯：劉清