中国科学院上海微系统与信息技术研究所的科研团队近日取得重要突破，成功研发出一种新型混合集成气体传感硅光芯片。该芯片创新性地将荧光传感薄膜与光学微环谐振器相结合，实现了化学与光学双模式协同信号放大，显著提升了气体传感器的灵敏度和选择性。
传统荧光气体传感器在灵敏度和选择性方面存在明显瓶颈，难以满足复杂场景下的检测需求。主流芯片多采用片上氮化硅直波导结构，但这种结构存在直波导倏逝场穿透深度有限、荧光收集效率低等问题，导致片上荧光信号信噪比差、输出光谱保真度不足。器件检测性能易受激发功率波动和环境因素干扰，单一检测模式难以应对复杂场景下的高灵敏、高选择性检测要求。
针对这些挑战，研究团队提出了基于硅基光子集成芯片的微环谐振腔增强方案。通过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，从而同步提升了输出信号的信噪比与光谱保真度。团队还采用溶液加工方法，将荧光探针材料与微环区域进行混合集成。电镜表征和光谱测试结果显示，这种混合集成方式能有效保持微环结构的高品质因子，进而对荧光薄膜的发射光谱进行有效调制。
该芯片的双模协同机制显著提升了传感性能，实测气体检测限低至1.25ppb。荧光强度与谐振波长两种独立信号可相互印证，通过多维判据提高了识别准确率，有效解决了相似荧光猝灭行为气体难以区分的问题。研究还建立了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。
