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，它比一角硬幣還要小，對甲烷的探測靈敏度高于100ppm。

光譜儀采用光纖連接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）。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。激光穿過一條狹窄的硅波導，它是位于芯片上方長度為10厘米長的蛇形格局，可以測定16平方毫米的范圍。一些光被捕獲在波導內部，而大約25%的光會延伸到硅的外部進入空氣中，在那里它可以與經過傳感器波導附近的微量氣體分子相互作用。為了提高設備的靈敏度，研究人員仔細測量和控制了導致噪聲和假吸收信號的因素，微調了光譜儀的設計，并確定了波導的幾何參數使其能夠產生令人滿意的結果。

一、成本低且運行多年不用維護

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?！?/p>

這種光譜儀采用的材料是計算機芯片使用的硅制成的光學材料，可以用大容量加工方法來制造這種基于芯片的甲烷光譜儀，所以光譜儀連同外殼和電池或太陽能電源，如果批量生產的話，成本可能低至幾百美元數量。

二、傳統激光甲烷比精度更高，噪聲影響更小

研究人員發現，基于芯片的光譜儀比傳統激光甲烷傳感器更加精確，并且減少了75%與空氣相互作用的光。此外，芯片傳感器的靈敏度通過甲烷濃度的最小可辨別范圍來量化，并顯示出具有更優越的性能。

IBM團隊的Eric Zhang解釋：“雖然硅光子學系統——特別是那些使用折射率變化的傳感系統，以前已經被探索，但是我們工作的創新部分是使用這種類型的系統來檢測低濃度甲烷非常弱的吸收信號，和對我們傳感器芯片噪聲和最小檢測閾值的綜合分析。”

三、使用場景

這種成本低廉且質量結實的光譜儀可以應用非常廣泛，可以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。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。

例如，IBM團隊正在與石油和天然氣行業的合作伙伴共同開展一個項目，該項目將使用光譜儀來檢測甲烷泄漏，避免了成千上萬個泄露地點的現場查找和修復，可以節省公司的時間和金錢。

“在天然氣開采和傳輸過程中，當設備發生故障、閥門卡住或管道出現裂紋時，甲烷可能會泄漏到空氣中，”Green補充道，“我們正在研究開發，創建傳感器網絡，分布在此過程的各個環節，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。”

“我們的長期愿景是將這些類型的傳感器并入人們每天都在使用的如手機或交通工具等家用事物中。這些傳感器可用于檢測污染、危險的一氧化碳含量水平或其他感興趣的分子。”研究團隊成員Eric Zhang說?！耙驗檫@種光譜儀提供了一個用于多物種檢測的平臺，有一天或許它也可以用于呼吸分析進行健康監測。