片上荧光薄膜气体传感兼具光学芯片小型化与荧光探针高灵敏两大优势，在环境监测、工业检测等场景拥有广阔应用前景，但现有氮化硅直波导方案仍存在明显短板。直波导倏逝场穿透深度有限，荧光激发效率难以提升，同时荧光发射多向发散，信号耦合收集效率低下，最终造成传感器信噪比、光谱保真度变差，易受外界环境扰动。仅依靠单一检测模式，也很难完成复杂环境下多种气体的精准甄别工作。
为破解上述技术难题，中国科学院上海微系统与信息技术研究所传感器技术全国重点实验室的研究团队，提出硅基光子微环谐振腔增强技术路线。利用微环谐振腔优秀的光谱调制能力，把宽谱荧光信号转换成高品质因子的离散谐振峰，改善输出信号质量。科研人员挖掘出谐振腔内两套响应机制，即光学折射率变化效应与化学诱导荧光猝灭效应，构建起双模式协同传感体系。
研究团队完成氮化硅微环光子芯片的设计制备，让芯片工作波段匹配荧光薄膜发光区间。采用溶液加工工艺将荧光探针材料集成至微环区域。电镜与光谱表征证实，沉积传感薄膜后微环依旧可以维持较高品质因子，可高效完成对荧光发射光谱的调制处理。
实测结果显示，该芯片气体检测限可达1.25ppb。谐振波长偏移效应进一步放大荧光猝灭带来的光强变化，实现灵敏度跃升。荧光强度、谐振波长属于两套相互独立的物理信号，可以互相校验比对，依靠多维判断标准，解决了相似荧光响应气体难以区分的技术难点。该工作还首次建立对应的理论模型解释协同传感机理，并且在多款荧光探针上验证了方案具备普适性，具备较强的推广价值。
该论文第一作者为硕士生王子奇，通讯作者为李卉梓副研究员、程建功研究员、付艳艳研究员。本项目研究工作得到国家自然科学基金、中国科学院先导项目共同资助。论文发表于《Laser & Photonics Reviews》，为下一代小型化、高灵敏气体检测器件研发提供新思路。
截图来源：Laser & Photonics Reviews
资料来源： 上海微系统与信息技术研究所
