近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感器技术全国重点实验室成功研制出一种混合集成气体传感硅光芯片。该芯片通过融合荧光传感薄膜与光学微环谐振器，实现了化学-光学双模式协同信号放大，有效突破了传统荧光气体传感器在灵敏度和选择性上的性能瓶颈。相关成果以“Synergistic Dual-Mode Amplification in Hybrid Integrated Sensing Chip for Ultrasensitive and Discriminative Gas Detection”为题发表于学术期刊Laser & Photonics Reviews。
研究背景
片上荧光薄膜气体传感融合了光学芯片的小型化优势与荧光探针的高灵敏度特性，应用前景广阔。当前主流芯片多基于片上氮化硅直波导结构，但面临两个关键挑战：一是直波导倏逝场穿透深度有限，严重制约荧光激发效率；二是荧光发射具有多方向、多模式特性，仅极少数满足模式匹配条件的信号光能耦合入波导，收集效率极低。两者叠加导致片上荧光信号信噪比差、输出光谱保真度不足，且易受激发功率波动与环境干扰影响。此外，单一检测模式难以满足复杂场景下对气体高灵敏、高选择性检测的实际需求。
研究亮点
针对上述瓶颈问题，研究团队提出基于硅基光子集成芯片的微环谐振腔增强方案。如图1所示，利用微环谐振腔优异的光谱调制特性，将宽谱荧光发射转化为离散的高品质因子谐振峰，同步改善输出信号的信噪比与光谱保真度，并探索在气体检测过程中单一谐振腔内光学折射率变化与化学响应诱导荧光光强猝灭的协同双模响应机制。
图1：单模式与双模协同传感机制对比示意图（a）基于直波导强度猝灭的单模传感；（b）基于微环调制下强度猝灭与折射率变化导致谐振波长偏移结合的双模协同传感。
研究团队对氮化硅微环光子芯片进行设计和制备，使其工作区域与荧光薄膜发光波段匹配。然后通过溶液加工方法，将荧光探针材料与微环区域进行混合集成，如图2所示。电镜表征和光谱测试的结果证明了该混合集成方式能有效确保微环结构在沉积传感薄膜之后依然能保持高品质因子，进而对荧光薄膜的发射光谱进行有效的调制。
图2：Si₃N₄微环光子芯片与荧光探针混合集成的方法及性能表征（a）混合集成制备工艺示意图。（b.1）集成微环的扫描电镜图像及（b.2）对应的放大视图。（c）实验装置示意图；内嵌图为芯片上荧光激发区域的显微镜图像。（d）荧光传感薄膜沉积前后微环通道的透射光谱测量结果。（e）探针沉积前后约610 nm谐振波长处品质因子的比较。（f）洛伦兹拟合调制后的荧光光谱Q值。
该双模协同机制使传感性能显著提升，实测气体检测限低至1.25 ppb。灵敏度提升源于谐振波长偏移对荧光猝灭所致光强下降的放大效应。尤为关键的是，荧光强度与谐振波长两种物理性质独立的信号可互为佐证，通过多维判据增强了识别准确性，有效攻克了相似荧光猝灭行为气体难以区分的难题。同时，本研究首次建立理论模型阐释协同机理，并在多种荧光探针上验证了该方法的普适性。
论文第一作者为硕士生王子奇，通讯作者为上海微系统所传感器技术全国重点实验室李卉梓副研究员，程建功研究员和付艳艳研究员。该研究得到了国家自然科学基金和中国科学院先导项目资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.71772
