导读

集成光子学作为现代信息技术的重要支撑力量，已广泛应用于高速通信、精密传感、量子计算与信息处理等领域，片上气体传感技术作为集成光子学中新兴的重要分支，凭借体积小、重量轻、功耗低、以及易于大规模集成等优势，正引领气体传感系统由大型分立仪器向微型化、芯片化方向演进。目前大多数片上传感器采用直接吸收光谱原理，通过波导引导光传播，并利用倏逝场实现气体吸收，进而依据透射功率反演气体浓度。然而，波导中光与气体相互作用路径短、倏逝场强度弱，极大限制了片上气体传感灵敏度的提升。

针对上述挑战，吉林大学与香港理工大学联合提出了一种新型的“双慢光”增强片上光热光谱气体传感技术。通过精准调控波导结构色散，使前向和后向散射波发生强干涉，从而显著降低光的群速度并压缩光场空间分布，在极短的光学路径内大幅提升了电磁场强度和光–物质相互作用效率。研究团队采用CMOS兼容工艺设计并制备出二维悬浮光子晶体波导，通过精确调控缺陷晶格参数，使泵浦光与探测光均处于慢光带内，利用“泵浦吸收增强”和“探测相位调制增强”的协同作用，实现了高达3.6×10⁻⁴的归一化光热调制效率，较传统矩形波导和光纤结构分别提升1和3个数量级。研究团队进一步将1 mm长的慢光光子晶体与马赫–曾德尔干涉仪片上集成，构建出仅0.6 mm²尺寸的超紧凑光热传感芯片，并应用于乙炔气体测量，所实现的噪声等效吸收灵敏度达到1.4×10⁻⁶，成为目前已报道的片上气体传感器的最佳性能。

相关成果以“Dual slow-light enhanced photothermal gas spectroscopy on a silicon chip”为题发表于Nature Communications。该工作由吉林大学电子科学与工程学院和香港理工大学电机及电子工程学系合作完成。郑凯元 (博士毕业于吉林大学，香港理工大学博士后，现任香港科技大学研究助理教授)、彭子航 (博士毕业于吉林大学，现为香港理工大学博士后)、廖翰宇为论文共同第一作者，吉林大学郑传涛教授与香港理工大学靳伟教授为论文通讯作者，论文合作者还包括香港理工大学鲍海泓博士、赵双祥博士，以及吉林大学黄一俊、张宇教授和王一丁教授。

1. 双慢光增强光热光谱的工作原理

基于硅基二维光子晶体波导的双慢光增强光热光谱的工作原理如图1所示。通过在二维光子晶体中引入线缺陷，可在光子带隙内形成导模，从而构建高折射率对比度、强色散调控的光子晶体波导。采用顶硅厚度220 nm的SOI平台，构筑了三排缺陷孔结构，晶格常数设定为500 nm。光子带隙中同时存在奇模与偶模，其中偶模可由矩形波导的TE基模高效激发，因此用作光热气体传感的主导模式。为了降低不同模式间的耦合损耗，采用梯度缺陷孔径设计，实现了矩形波导到光子晶体波导的群折射率平稳过渡。此外通过湿法腐蚀去除二氧化硅层，形成上下包层均为空气的悬浮结构，增强了光与气体重叠因子的同时，利用空气的低导热性，有效“积聚”热量，从而有效提升相位调制幅度。

光子晶体波导中的慢光模式沿z方向传播，横向上分别通过全内反射与光子带隙（y方向）实现模式的强局域化。通过精确调控晶格常数及孔径，构建了宽波段慢光：覆盖乙炔分子吸收的泵浦光波段（1515-1542 nm）和非吸收的探测光波段（1543-1573 nm）。泵浦与探测光均沿第一布里渊区Γ–K同向传播，气体分子对被调制泵浦光的吸收形成局域化热源，热扩散过程进一步改变周围介质温度分布，进而调制探测光的模式折射率和相位。由于泵浦与探测光均为慢光，两束光在空间上均呈现强光场局域化压缩效应，从而显著提升了泵浦吸收效率与探测光相位调制幅度，最终形成协同增强的“双慢光光热放大”效应。

图1 双慢光光子晶体波导光热光谱的工作原理

2. 光热传感芯片的制备与表征

硅基光热传感芯片由输入/输出亚波长光栅耦合器、二维光子晶体波导以及片上马赫–曾德尔干涉仪组成，采用纳米精度电子束光刻与深硅刻蚀等CMOS兼容工艺一体化制备完成。芯片尺寸仅为0.6 mm²。如图2所示，连接光栅耦合器和Y型分束器的矩形波导，在约100 μm的长度内，其宽度从14 μm逐渐减小至0.5 μm，以确保干涉仪中保偏TE基模传输。干涉仪的传感臂为长度为1 mm的悬浮光子晶体波导，参考臂由0.5 μm宽的单模矩形波导构成。为了补偿慢光波导引起的损耗并提高干涉条纹对比度，Y型分束器采用3:1的宽度比以获得近似相等的两臂输出光功率。此外，在光子晶体波导的输入/输出端，设计了100 μm长的锥形波导，用于滤除可能存在的高阶模，以确保TE0模耦合至光子晶体波导，从而选择性地高效激发TE偶模。

图2 光热光谱传感芯片的一体化制备与表征

3. 双慢光增强效应的实验验证

通过测量片上干涉仪的透射光谱，可计算出群折射率。如图3所示，实验验证了泵浦与探测波段均存在显著慢光效应，进一步研究了不同泵浦和探测波长组合下的光热调制信号，结果显示，光热信号幅度与泵浦和探测光的群折射率乘积呈线性关系，该结论与理论吻合，证实了“双慢光协同增强”的光热放大机制。对比了光纤和波导的光热调制效率。空芯光纤的归一化光热效率为~10⁻⁷量级，波导光热调制效率为10⁻⁵量级，本研究所提出的双慢光光子晶体波导在50 kHz的调制频率下实现了~3.6×10⁻⁴的光热调制效率，较传统光纤提升了3个数量级，较矩形波导提升了1个数量级以上。

图3 双慢光光热放大效应的实验验证

4. 片上光热气体传感的性能评估

采用高精度封装工艺实现了光纤–波导的低损耗耦合，并将芯片密封于容积仅10 mL的气室内，构成超紧凑的片上光热传感器来开展气体测量。与传统光纤式光热系统依赖干涉仪Q点的锁定不同，该片上传感器仅需通过温控即可保持Q点稳定，无需额外伺服系统，体积缩小5个数量级的同时仍保持与伺服相当的稳定性。将该传感器用于乙炔测量来评估双慢光光热的传感性能，利用1 mm长的传感波导，检测下限达到12 ppm，线性动态量程大于4个数量级，调制带宽为500 kHz (图4)。

图4 片上光热气体传感器的性能测量结果

5. 总结与展望

该工作首次从理论上揭示了片上光热调制效率与泵浦光和探测光群折射率乘积的正比关系，为后续慢光波导的优化设计提供了关键理论依据。同时，该工作在硅基芯片上首次实现了泵浦光吸收与探测光相位调制的双重慢光协同增强，显著提升了片上光热传感灵敏度。该技术为实现高灵敏、微型化且具备大规模制造潜力的硅基传感芯片奠定了重要基础。未来，结合日益成熟的硅基光子集成工艺，将激光器、探测器等有源器件单片集成，构建“全集成片上传感器”，有望为分布式环境监测、智能家居、智慧医疗及可穿戴设备等应用提供核心技术。

6. 论文信息

Zheng, K., Peng, Z., Liao, H. et al. Dual slow-light enhanced photothermal gas spectroscopy on a silicon chip. Nat Commun 16, 10549 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65583-5

7. 作者信息

郑凯元，论文第一作者，现任香港科技大学跨学科学院研究助理教授。2016和2021年在吉林大学获得学士和博士学位，2021-2024年在香港理工大学电机及电子工程学系做博士后，主要从事红外激光光谱学、光纤/片上气体传感技术及应用研究。发表SCI期刊论文60余篇，以第一/通讯作者发表SCI论文23篇，包括Nat. Commun., Light Sci. Appl., Optica, Laser Photon. Rev., Light: Adv. Manuf., Lab Chip, ACS Sens.等，他引920余次，h因子18，授权发明专利3项，主持香港环保署重点研发 (ECF) 项目1项，多次在CLEO、PIERS等国际会议作邀请/口头报告，获得中国电子教育学会优秀博士论文提名奖，PIERS国际会议最佳学生论文奖等荣誉称号，入选2024年度全球前2%高被引学者榜单。

郑传涛，论文通讯作者，吉林大学唐敖庆学者−领军教授、博士生导师。入选教育部重大人才工程青年学者，吉林省中青年科技创新领军人才。主要从事红外激光光谱学、传感器及其应用方面的研究。主持基金委重点、面上等项目近20项。发表第一/通讯作者期刊论文212篇，获得授权国家发明专利15件，获软件著作权3项；出版学术专著1部（第一）。获吉林省科学技术进步奖一等奖、中国商业联合会技术发明奖一等奖、吉林省首届职工优秀技术创新成果一等奖、吉林省自然科学学术成果二等奖。任《光子学报》、《光学学报》青年编委，中国光学学会激光光谱学专委会委员，吉林省检测技术学会理事，吉林省分析测试技术学会光谱分会副主任委员，吉林省光学学会理事、光谱专业委员会副主任委员。

靳伟，论文通讯作者，香港理工大学电机与电子工程系讲席教授，教育部长江学者。长期从事光纤传感及相关技术研究，在光子微结构光纤理论和应用技术、光纤增强气体传感技术和光纤光栅传感技术等方面，取得了多项重要创新成果，得到业界的高度评价，其在痕量气体检测方面的研究成果荣获2020年度中国光学十大进展（应用研究类）。五年来主持国家自然科学基金-重大科研仪器研制项目、国家科技部重点研发计划（课题）、中国香港优配研究金（GRF）项目、创新及科技基金（ITF）项目十余项。他参与撰写两本学术专著，在Nature Communications、Optica等高水平学术期刊发表论文超过300篇，申请和获授权中国和美国发明专利15余项，曾90余次被国内外会议邀请作大会报告和特邀报告。靳伟教授从2001年开始担任国际光纤传感系列会议（OFS）的委员会委员，他是美国光学学会（Optica）Fellow，担任中国光学学会理事、中国光学学会纤维光学与集成光学专业委员会副主席。