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據(jù)麥姆斯咨詢報道,IBM研究人員已研制出吸收光譜平臺,可以擴展到紅外光譜“指紋區(qū)”。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,對甲烷的探測靈敏度達100ppm

2017-11-06 10:41:00 · 風電網 閱讀:286
據(jù)麥姆斯咨詢報道,IBM研究人員已研制出吸收光譜平臺,可以擴展到紅外光譜“指紋區(qū)”。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,對甲烷的探測靈敏度達100ppm

據(jù)麥姆斯咨詢報道,IBM研究人員已研制出吸收光譜平臺,可以擴展到紅外光譜“指紋區(qū)”。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,對甲烷的探測靈敏度達100ppm。

該平臺采用光纖連接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)。

這種方式為未來用于氣體泄漏檢測和廢氣偷排監(jiān)測等應用提供低成本、高靈敏度的甲烷探測器解決方案。IBM研究人員表明,光譜范圍可以從中紅外擴展到8um波長區(qū)域,也就是能探測到分子振動的“指紋區(qū)”,因此潛在應用范圍變得更加廣泛了。

在剛剛出版的Optica論文中,團隊談到“研究結果表明,我們有潛力提供可以量產的、低成本的集成光子芯片傳感器,并滿足大氣中氣體成分和污染物測量對靈敏度和分子特性要求。”

可擴展性問題

最先進的TDLAS系統(tǒng)已經證明了其探測ppm級氣體的能力,手持式設備使用方便,但制造的可擴展性相對缺乏,因此目前想要在大型網絡更廣泛地部署有難度。

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(fā)的元器件,對目前數(shù)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?guī)缀醪恍枰S護。”

典型的用戶可能包括石油和天然氣公司,他們能夠立即發(fā)現(xiàn)和測量泄漏,而不再依賴常規(guī)的專業(yè)檢查。

“在天然氣開采和傳輸過程中,當油井設備故障、閥門卡住或管道出現(xiàn)裂紋時,甲烷會泄漏到空氣中,”Green補充道,“我們正在開發(fā)方法來使用這種芯片級光譜創(chuàng)建傳感器網絡,例如可以分布在井場網絡。這些傳感器的數(shù)據(jù)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?!?/p>

雖然甲烷只是構成地球大氣層的氣體混合物中很小的一部分,但它的溫室效應遠遠強于我們耳熟能詳?shù)亩趸肌?jù)聯(lián)合國世界氣象組織(WMO)的數(shù)據(jù),后者的濃度已經上升到800000年來的最高水平。

WMO在10月30日發(fā)布的《溫室氣體公報》中也提到甲烷濃度已經上升到1853 ppb,相比1984年的1650 ppb水平有所上升,相比工業(yè)革命前的水平已經增加兩倍。

倏逝場

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,來探測甲烷周圍的空氣。過去曾采用倏逝波的方法來監(jiān)測火山氣體,其中混合物濃度可以預示火山即將噴發(fā)的可能性,還可以用于發(fā)現(xiàn)人體呼出氣體中細菌感染的跡象。

IBM團隊的Eric Zhang解釋:“盡管硅光子學系統(tǒng),尤其使用折射率變化的傳感方法,我們已經深究過。我們工作的創(chuàng)新之處是使用此系統(tǒng)從低濃度甲烷中檢測出很弱的吸收信號,以及我們這套傳感器芯片對噪聲的全面分析和最低的檢測限?!?/p>

目前IBM的這套裝置用光纖連接,但并沒有將激光器或探測器集成到芯片中。該團隊正在朝著取消光纖并開發(fā)一套完全集成裝置的方向努力。

Green在一份聲明中稱:“我們的工作表明所有在硅光子制造、封裝的知識和元器件設計都可以用于光學傳感器,原則是用這些技術創(chuàng)建適用于全新應用的量產、低成本的傳感器?!?/p>

從他們的期刊論文結論中可以知道,IBM團隊認為光譜儀可以擴展到近紅外以外的波長區(qū),他們是這么寫的:“事實上,新的波導結構可以避免隱埋氧化物吸收,硅的透明度達8μm,這樣光譜儀就適用于中紅外范圍的分子,芯片級硅光子集成傳感器成為用于寬頻帶、多組分檢測的使能平臺?!?/p>

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