據(jù)麥姆斯咨詢報道，IBM研究人員已研制出吸收光譜平臺，可以擴展到紅外光譜“指紋區(qū)”。IBM公司Thomas J. Watson研究中心的團隊展示了一種基于硅光子技術(shù)的芯片級光譜儀，對甲烷的探測靈敏度達100ppm。

該平臺采用光纖連接1650 nm半導(dǎo)體激光器和砷化鎵銦（InGaAs）近紅外探測器來探測甲烷濃度，并使用可調(diào)諧二極管激光吸收光譜技術(shù)（TDLAS）。

這種方式為未來用于氣體泄漏檢測和廢氣偷排監(jiān)測等應(yīng)用提供低成本、高靈敏度的甲烷探測器解決方案。IBM研究人員表明，光譜范圍可以從中紅外擴展到8um波長區(qū)域，也就是能探測到分子振動的“指紋區(qū)”，因此潛在應(yīng)用范圍變得更加廣泛了。

在剛剛出版的Optica論文中，團隊談到“研究結(jié)果表明，我們有潛力提供可以量產(chǎn)的、低成本的集成光子芯片傳感器，并滿足大氣中氣體成分和污染物測量對靈敏度和分子特性要求。”

可擴展性問題

最先進的TDLAS系統(tǒng)已經(jīng)證明了其探測ppm級氣體的能力，手持式設(shè)備使用方便，但制造的可擴展性相對缺乏，因此目前想要在大型網(wǎng)絡(luò)更廣泛地部署有難度。

IBM團隊的首席研究員William Green表示，“該方法使用了為光通信應(yīng)用開發(fā)的元器件，對目前數(shù)萬美元成本的甲烷傳感光譜儀來講，成本大幅降低。此外，由于沒有運動部件，也沒有精確溫度控制的基本要求，這種傳感器可以運行多年且?guī)缀醪恍枰S護。”

典型的用戶可能包括石油和天然氣公司，他們能夠立即發(fā)現(xiàn)和測量泄漏，而不再依賴常規(guī)的專業(yè)檢查。

“在天然氣開采和傳輸過程中，當油井設(shè)備故障、閥門卡住或管道出現(xiàn)裂紋時，甲烷會泄漏到空氣中，”Green補充道，“我們正在開發(fā)方法來使用這種芯片級光譜創(chuàng)建傳感器網(wǎng)絡(luò)，例如可以分布在井場網(wǎng)絡(luò)。這些傳感器的數(shù)據(jù)由IBM的物理分析軟件處理，能自動查明泄漏的位置，并量化泄漏量。”

雖然甲烷只是構(gòu)成地球大氣層的氣體混合物中很小的一部分，但它的溫室效應(yīng)遠遠強于我們耳熟能詳?shù)亩趸?。?jù)聯(lián)合國世界氣象組織（WMO）的數(shù)據(jù)，后者的濃度已經(jīng)上升到800000年來的最高水平。

WMO在10月30日發(fā)布的《溫室氣體公報》中也提到甲烷濃度已經(jīng)上升到1853 ppb，相比1984年的1650 ppb水平有所上升，相比工業(yè)革命前的水平已經(jīng)增加兩倍。

倏逝場

IBM團隊的光譜儀設(shè)計使用了從長度為10厘米但非常窄的硅波導(dǎo)中逸出的倏逝光，來探測甲烷周圍的空氣。過去曾采用倏逝波的方法來監(jiān)測火山氣體，其中混合物濃度可以預(yù)示火山即將噴發(fā)的可能性，還可以用于發(fā)現(xiàn)人體呼出氣體中細菌感染的跡象。

IBM團隊的Eric Zhang解釋：“盡管硅光子學(xué)系統(tǒng)，尤其使用折射率變化的傳感方法，我們已經(jīng)深究過。我們工作的創(chuàng)新之處是使用此系統(tǒng)從低濃度甲烷中檢測出很弱的吸收信號，以及我們這套傳感器芯片對噪聲的全面分析和最低的檢測限。”

目前IBM的這套裝置用光纖連接，但并沒有將激光器或探測器集成到芯片中。該團隊正在朝著取消光纖并開發(fā)一套完全集成裝置的方向努力。

Green在一份聲明中稱：“我們的工作表明所有在硅光子制造、封裝的知識和元器件設(shè)計都可以用于光學(xué)傳感器，原則是用這些技術(shù)創(chuàng)建適用于全新應(yīng)用的量產(chǎn)、低成本的傳感器?！?/p>

從他們的期刊論文結(jié)論中可以知道，IBM團隊認為光譜儀可以擴展到近紅外以外的波長區(qū)，他們是這么寫的：“事實上，新的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以避免隱埋氧化物吸收，硅的透明度達8μm，這樣光譜儀就適用于中紅外范圍的分子，芯片級硅光子集成傳感器成為用于寬頻帶、多組分檢測的使能平臺。”