據麥姆斯咨詢報道，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”。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，并使用可調諧二極管激光吸收光譜技術（TDLAS）。

這種方式為未來用于氣體泄漏檢測和廢氣偷排監測等應用提供低成本、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波長區域，也就是能探測到分子振動的“指紋區”，因此潛在應用范圍變得更加廣泛了。

在剛剛出版的Optica論文中，團隊談到“研究結果表明，我們有潛力提供可以量產的、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系統已經證明了其探測ppm級氣體的能力，手持式設備使用方便，但制造的可擴展性相對缺乏，因此目前想要在大型網絡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用開發的元器件，對目前數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幾乎不需要維護。”

典型的用戶可能包括石油和天然氣公司，他們能夠立即發現和測量泄漏，而不再依賴常規的專業檢查。

“在天然氣開采和傳輸過程中，當油井設備故障、閥門卡住或管道出現裂紋時，甲烷會泄漏到空氣中，”Green補充道，“我們正在開發方法來使用這種芯片級光譜創建傳感器網絡，例如可以分布在井場網絡。這些傳感器的數據由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，但它的溫室效應遠遠強于我們耳熟能詳的二氧化碳。據聯合國世界氣象組織（WMO）的數據，后者的濃度已經上升到800000年來的最高水平。

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

倏逝場

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

IBM團隊的Eric Zhang解釋：“盡管硅光子學系統，尤其使用折射率變化的傳感方法，我們已經深究過。我們工作的創新之處是使用此系統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計都可以用于光學傳感器，原則是用這些技術創建適用于全新應用的量產、低成本的傳感器。”

從他們的期刊論文結論中可以知道，IBM團隊認為光譜儀可以擴展到近紅外以外的波長區，他們是這么寫的：“事實上，新的波導結構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。”