本文介绍了一项关于使用低损耗中红外硅波导（Low-loss Mid-IR Silicon Waveguides）进行大气水平二氧化碳气体传感（Atmospheric-level Carbon Dioxide Gas Sensing）的原创性研究工作。该研究由Pen-Sheng Lin, Arne Quellmalz, Shayan Parhizkar 等多位作者合作完成，作者单位包括瑞典皇家理工学院微纳系统分部（KTH Royal Institute of Technology）、德国AMO GmbH、德国亚琛工业大学、瑞典SenseAir AB 等多家研究机构。该研究成果于2025年1月27日发表在国际光学领域的知名期刊 Optics Express （第33卷，第2期）上。
研究背景与目标 这项研究属于集成光子学和光学气体传感领域。随着人们对空气质量与健康关系的认识日益加深，对二氧化碳传感器的需求正在快速增长。室内环境中，高浓度的二氧化碳通常意味着通风不良；而在室外，二氧化碳水平则与化石燃料燃烧及其相关污染紧密相连。基于集成光学波导的二氧化碳气体传感器因其出色的气体传感选择性、紧凑的尺寸以及大规模低成本制造的潜力而成为一种极具前景的解决方案。然而，先前的研究成果尚未在可扩展的平台上展现出足以用于大气水平（通常指数百ppm级别）传感的足够性能。已有技术中的波导设计，如狭缝波导或亚波长光栅波导，要么因侧壁粗糙导致的本征损耗过高而限制了可用波导长度，要么依赖于难以大规模制造的电子束光刻工艺。悬浮波导虽能降低散射损耗，但以往的锚定设计通常需要改变波导核心的横截面几何形状，导致模式失配，同样限制了低损耗长波导的实现。
因此，本研究的核心目标是：开发一种新型的、可大规模制造的悬浮硅波导结构，以实现对大气水平二氧化碳气体的高灵敏度检测。具体目标包括：1）设计并制造一种具有恒定核心横截面几何形状的底部锚定悬浮条形波导，以大幅降低波导传播损耗；2）利用标准光学光刻技术，在150毫米的绝缘体上硅（SOI， Silicon-on-Insulator）平台上实现该波导，确保工艺的可扩展性与低成本潜力；3）演示该波导传感器对低浓度二氧化碳（如500 ppm）的清晰分辨检测能力，并评估其检测极限。
详细工作流程 本研究的工作流程可以概括为波导设计与仿真、制造工艺开发、光学表征与气体传感测量、以及数据分析与性能评估四个主要环节。
首先，在设计与仿真阶段，研究人员在商用150毫米直径SOI晶圆上进行设计。该晶圆的顶层硅器件层厚度为400纳米（相比之前工作中使用的220纳米更厚，以简化光电探测器与光源的集成），埋氧层厚度为3微米。核心设计是一种宽度为2.2微米的悬浮、空气包层条形波导，旨在工作于4.2微米的中红外波长，该波长对应于二氧化碳的强吸收峰。波导采用底部锚定（Bottom Anchors）设计，其独特之处在于能够在实现锚定的同时，保持波导核心横截面几何形状沿整个长度方向恒定，从而避免了模式失配引入的额外损耗。研究人员设计了七种不同长度（0.75厘米至7.00厘米）的波导，并利用有限元方法 进行了仿真，计算出该波导设计的外部限制因子（External Confinement Factor， ECF）约为19%，该参数衡量了光模的倏逝场与包层气体相互作用的能力。
其次，在制造工艺 环节，研究团队开发了一套新颖的两步掩膜版、基于标准光学步进式光刻机的制造流程。整个工艺在150毫米SOI晶圆上进行，所有光刻步骤均使用i-line步进式光刻机，这为实现低成本、大批量制造铺平了道路。具体流程如文中图2(a)所示：第一步，在硅器件层上蚀刻出两排“蚀刻孔”，以暴露下方的埋氧层。这些蚀刻孔的间距经过特殊设计，在需要锚定的区域间距较宽。第二步，使用5%的氢氟酸溶液，通过蚀刻孔对埋氧层进行湿法刻蚀释放。由于刻蚀时间可控，在蚀刻孔间距较宽的区域，埋氧层未被完全去除，从而自然形成了支撑悬浮波导的“底部锚定”。第三步，应用干法刻蚀，在波导两侧将硅器件层刻穿，最终形成由底部埋氧层残余部分锚定的悬浮条形波导。这种工艺确保了波导核心横截面在整个长度上保持一致，极大地减少了因锚定区几何变化引起的模式失配损耗。此外，文中指出，该设计通过平衡3微米的悬浮间隙和150微米的悬浮长度，有效降低了湿法释放后干燥过程中因液体表面张力导致的“粘连”风险。
第三，在测量与表征 环节，研究团队搭建了完整的光学与气体测量系统。光学测量使用波长为4.2微米的可调谐激光器，激光通过机械斩波器调制。光通过单模输入光纤和晶圆探针台耦合到波导一端的表面光栅耦合器，经过波导传输后，由另一端的多模输出光纤收集，并使用单像素探测器和锁相放大器检测输出光功率。为了避免环境二氧化碳对测量的干扰，自由空间光路被黄铜管屏蔽并用氮气吹扫。气体传感测量则使用一个安装在高精度三维平台上的“淋浴头”式气体注射器，以在晶圆表面提供均匀的二氧化碳浓度（用氮气稀释）。测量时，首先向波导吹扫纯氮气建立基线，然后注入特定浓度的二氧化碳-氮气混合气体，观察并记录输出光功率的变化。
具体的实验流程包括： 1. 波导传播损耗表征：采用“截断法”（Cutback Method），对同一种波导设计但长度不同（七种长度）的样品进行光功率测量。测量在氮气环境下进行以避免二氧化碳吸收的影响。通过对十二个不同芯片上相同类型波导的重复测量，提取平均传播损耗。 2. 耦合效率表征：测量光栅耦合器的耦合系数。 3. 外部限制因子实验提取：将波导测得的二氧化碳吸收系数与相同波长、相同浓度下基于HITRAN数据库 的自由空间预测值进行比较，同时进行了自由空间参考测量以消除激光器带宽带来的偏差，从而反推出波导的实际外部限制因子。 4. 二氧化碳气体传感性能测量：使用一根7厘米长的波导，实时测量其对五种不同浓度二氧化碳（从500 ppm到10%）的响应，绘制时间序列曲线。特别地，对最低浓度500 ppm的二氧化碳进行了五次重复测量，以验证传感器的稳定性和可重复性。 5. 艾伦偏差分析：为了评估系统的长期稳定性并推断极限探测能力，对纯氮气环境下超过10分钟的连续时间序列测量数据进行艾伦偏差分析，以预测传感器在不同积分时间下的1σ噪声等效二氧化碳检测极限。
第四，在数据分析流程中，对于传播损耗，通过对数正态分布处理十二个芯片的测量数据。对于气体传感数据，利用修改后的比尔-朗伯定律（公式1, 2）对测量结果进行拟合和分析。通过拟合不同浓度下光强下降与波导长度的关系，可以验证理论模型并评估性能。艾伦偏差分析则用于量化系统的噪声特性并外推检测极限。
主要研究结果 本研究取得了以下几项关键结果：
极低的波导传播损耗：通过新颖的制造工艺，研究团队成功实现了具有恒定横截面的悬浮硅条形波导。对十二个芯片的统计测量表明，该波导在4.2微米波长处的平均传播损耗仅为2.20 dB/cm（区间为+0.3/-0.2 dB/cm）。这是文献报道的中红外二氧化碳传感波导中最低的传播损耗值之一。低损耗是实现长波导传感的基础。
成功的波导制造与特性：光学显微镜和扫描电子显微镜图像证实了悬浮波导的成功制造，显示了清晰的波导结构、光栅耦合器以及底部锚定。光栅耦合器的耦合系数测量为-7.2 dB/每光栅，一致性良好。实验提取的外部限制因子为15.3%，与仿真值（19%）接近，微小的差异可能归因于激光波长的微小偏移。
出色的二氧化碳传感性能：实验清晰地演示了该波导传感器对低浓度二氧化碳的检测能力。
性能对比优势：研究团队在文中表格1中将自己的工作与近年来的其他中红外二氧化碳波导传感器研究进行了详细对比。对比显示，本研究实现的波导在传播损耗、可制造波导长度以及实际演示的最低检测浓度方面，均具有明显优势。例如，与作者团队之前使用电子束光刻的工作相比，本次工作将波导长度从0.32厘米大幅提升至7厘米，并将清晰分辨的二氧化碳浓度从1000 ppm降低至500 ppm。与其他基于多晶硅的非悬浮波导研究相比，本研究的悬浮设计消除了埋氧层吸收和衬底泄漏带来的损耗，从而获得了更低的传播损耗和更高的灵敏度。
理论与实验的印证：通过测量不同长度波导对不同浓度二氧化碳的响应，并将数据用理论公式进行拟合（如图5(a)所示），实验结果与基于比尔-朗伯定律的传感模型高度吻合。该模型也用于分析波导长度对灵敏度的影响，并指导了传感器的优化设计。
研究结论与意义 本研究的结论是：通过一种新颖的、兼容大规模半导体制造的制造工艺，成功开发并演示了一种基于低损耗悬浮硅波导的高性能中红外二氧化碳气体传感器。该传感器能够在1秒积分时间内清晰分辨500 ppm的二氧化碳浓度，并具备探测低至73 ppm（61秒积分时间）浓度水平的潜力。其核心创新在于实现了具有恒定核心截面的底部锚定悬浮波导，从而将传播损耗降至2.20 dB/cm，并允许制造长达7厘米的波导，极大地增强了光与气体的相互作用。
这项研究的科学价值在于：它为高性能、可集成的光学气体传感器提供了一种新的波导结构设计和制造路径，明确了降低波导本征损耗对于提升倏逝场传感灵敏度、尤其是实现长光程传感的关键作用。其应用价值则更为显著：首先，所采用的基于150毫米SOI晶圆和标准光学步进式光刻的工艺，为传感器的大规模、低成本生产提供了清晰可行的技术路线，这是走向实际应用的关键一步。其次，传感器表现出的性能指标（可探测大气水平浓度、快速响应、芯片级尺寸）使其非常适合应用于两大重要领域：化石燃料燃烧监测（如工业排放源定位与量化）和室内空气质量监测（用于智能楼宇的通风与空调控制系统）。此外，研究者指出，该波导设计可扩展到中红外其他波长，用于检测其他气体（如甲烷、一氧化碳等），显示出平台技术的通用性潜力。
研究亮点 本研究的亮点主要体现在以下几个方面： 1. 创新的波导结构与制造工艺：提出的“底部锚定+恒定横截面”悬浮波导设计，巧妙地解决了长悬浮波导的低损耗制造难题，避免了模式失配，这是实现低至2.20 dB/cm传播损耗的关键。 2. 卓越的传感性能：在可大规模制造的平台上，首次同时实现了低传播损耗、长波导长度以及对大气水平二氧化碳（500 ppm）的清晰分辨检测，并将检测极限推进至73 ppm。 3. 强大的工艺兼容性与可扩展性：全程采用主流的150毫米SOI平台和标准光学光刻技术，与成熟的半导体制造体系兼容，为实现低成本、大批量生产铺平了道路，这是本研究成果从实验室走向实际应用的核心优势。 4. 系统性的研究：工作涵盖了从理论设计、仿真、工艺开发、器件表征到气体传感演示和性能极限分析的完整链条，数据详实，对比充分，论证严谨。
其他有价值的内容 文中还提及，当前工作是在单一固定波长下进行的测量。研究者指出，未来若采用更先进的光谱技术，如波长调制光谱、基线校正和信号拟合等，可以进一步抑制噪声，提高传感器的检测极限和稳定性。此外，研究建立的分析模型不仅可用于优化传感性能，还有助于估算未来集成光源和探测器的一体化传感器系统的光学功率预算，为全集成化传感器系统的开发提供了理论工具。文末的补充材料（Supplement 1）包含了更多支持性数据和图表，如波导带宽模拟、锚点损耗模拟、抗粘连设计分析、系统稳定性测试等，为感兴趣的读者提供了更深入的技术细节。