IBM 硅光子光谱仪问世 可用近红外探测器来探测甲烷浓度

据麦姆斯咨询报道，IBM研究人员已研制出吸收光谱平台，可以扩展到红外光谱“指纹区”。IBM公司Thomas J. Watson研究中心的团队展示了一种基于硅光子技术的芯片级光谱仪，对甲烷的探测灵敏度达100ppm。

该平台采用光纤连接1650 nm半导体激光器和砷化镓铟（InGaAs）近红外探测器来探测甲烷浓度，并使用可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）。

这种方式为未来用于气体泄漏检测和废气偷排监测等应用提供低成本、高灵敏度的甲烷探测器解决方案。IBM研究人员表明，光谱范围可以从中红外扩展到8um波长区域，也就是能探测到分子振动的“指纹区”，因此潜在应用范围变得更加广泛了。

在刚刚出版的Optica论文中，团队谈到“研究结果表明，我们有潜力提供可以量产的、低成本的集成光子芯片传感器，并满足大气中气体成分和污染物测量对灵敏度和分子特性要求。”

可扩展性问题

最先进的TDLAS系统已经证明了其探测ppm级气体的能力，手持式设备使用方便，但制造的可扩展性相对缺乏，因此目前想要在大型网络更广泛地部署有难度。

IBM团队的首席研究员William Green表示，“该方法使用了为光通信应用开发的元器件，对目前数万美元成本的甲烷传感光谱仪来讲，成本大幅降低。此外，由于没有运动部件，也没有精确温度控制的基本要求，这种传感器可以运行多年且几乎不需要维护。”

典型的用户可能包括石油和天然气公司，他们能够立即发现和测量泄漏，而不再依赖常规的专业检查。

“在天然气开采和传输过程中，当油井设备故障、阀门卡住或管道出现裂纹时，甲烷会泄漏到空气中，”Green补充道，“我们正在开发方法来使用这种芯片级光谱创建传感器网络，例如可以分布在井场网络。这些传感器的数据由IBM的物理分析软件处理，能自动查明泄漏的位置，并量化泄漏量。”

虽然甲烷只是构成地球大气层的气体混合物中很小的一部分，但它的温室效应远远强于我们耳熟能详的二氧化碳。据联合国世界气象组织（WMO）的数据，后者的浓度已经上升到800000年来的最高水平。

WMO在10月30日发布的《温室气体公报》中也提到甲烷浓度已经上升到1853 ppb，相比1984年的1650 ppb水平有所上升，相比工业革命前的水平已经增加两倍。

倏逝场

IBM团队的光谱仪设计使用了从长度为10厘米但非常窄的硅波导中逸出的倏逝光，来探测甲烷周围的空气。过去曾采用倏逝波的方法来监测火山气体，其中混合物浓度可以预示火山即将喷发的可能性，还可以用于发现人体呼出气体中细菌感染的迹象。

IBM团队的Eric Zhang解释：“尽管硅光子学系统，尤其使用折射率变化的传感方法，我们已经深究过。我们工作的创新之处是使用此系统从低浓度甲烷中检测出很弱的吸收信号，以及我们这套传感器芯片对噪声的全面分析和最低的检测限。”

目前IBM的这套装置用光纤连接，但并没有将激光器或探测器集成到芯片中。该团队正在朝着取消光纤并开发一套完全集成装置的方向努力。

Green在一份声明中称：“我们的工作表明所有在硅光子制造、封装的知识和元器件设计都可以用于光学传感器，原则是用这些技术创建适用于全新应用的量产、低成本的传感器。”

从他们的期刊论文结论中可以知道，IBM团队认为光谱仪可以扩展到近红外以外的波长区，他们是这么写的：“事实上，新的波导结构可以避免隐埋氧化物吸收，硅的透明度达8µm，这样光谱仪就适用于中红外范围的分子，芯片级硅光子集成传感器成为用于宽频带、多组分检测的使能平台。”