(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210502451.X (22)申请日 2022.05.09 (71)申请人 南京大学 地址 210000 江苏省南京市栖霞区仙林大 道163号 (72)发明人 施跃春　王鸿基　陈向飞　 (74)专利代理 机构 北京慕达星云知识产权代理 事务所 (特殊普通合伙) 11465 专利代理师 李云 (51)Int.Cl. G01N 21/39(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G01N 21/3504(2014.01) (54)发明名称 一种基于反对称光栅的单片集成气体检测 装置 (57)摘要 本发明公开了一种基于反对称光栅的单片 集成气体检测装置， 包括集 成制作在外延片上的 有源区、 无源区和探测器； 有源区、 无源区和探测 器依次对接成型， 且无源区为单路或双路结构， 有源区的数量为1个， 并与无源区对接， 探测器的 数量与无源区的路数相同， 并与无源区对接； 有 源区和探测器的能带结构一致， 无源区能带的带 隙大小与有源区不同。 本装置采用单片集成气体 检测芯片， 光源仅需用宽谱光源， 通过无源区滤 波实现对波长的准确控制， 无源区物理过程对比 起有源区相对简单， 波长更加容易控制， 因此本 发明降低了对激光器的制作工艺、 封装工艺的相 关成本， 从而降低TDLAS方法的成本， 扩大应用范 围。 权利要求书1页 说明书6页 附图2页 CN 114894743 A 2022.08.12 CN 114894743 A 1.一种基于反对称光栅的单片集成气体检测装置， 其特征在于， 包括集成制作在外延 片上的有源区(1)、 无源区(2)和探测器(3)； 所述有源区(1)、 所述无源区(2)和所述探测器 (3)依次对接成型， 且 所述无源区(2)为单路或双路结构， 所述有源区(1)的数量为1个， 并与 所述无源区(2)对接， 所述探测器(3)的数量与所述无源区(2)的路数相同， 并与所述无源区 (2)对接； 所述有源区(1)和所述探测器(3)的能带结构一致， 所述无源区(2)能带的带隙大 小与所述有源区(1)不同。 2.根据权利要求1所述的一种基于反对称光栅的单片集成气体检测装置， 其特征在于， 所述有源区(1)为红外光波长附近的宽谱光源。 3.根据权利要求1所述的一种基于反对称光栅的单片集成气体检测装置， 其特征在于， 所述有源区(1)为半导体光放大器， 所述半导体光放大器远离所述无源区(2)的端面镀有反 射膜(4)。 4.根据权利要求1 ‑4中任一项所述的一种基于反对称光栅的单片集成气体检测装置， 其特征在于， 所述无源区(2)包括辐射波导(21)和多模波导(22)； 所述多模波导(22)与所述 探测器(3)对接， 所述辐射波导(21)的宽度小于所述有源区(1)、 所述多模波导(22)和所述 探测器(3)的宽度， 所述辐射波导(21)的两端均通过锥形波导(23)过渡对接在所述多模波 导(22)和所述有源区(1)之间。 5.根据权利要求4所述的一种基于反对称光栅的单片集成气体检测装置， 其特征在于， 所述多模波导(2 2)含有 π相移的反对称光 栅。 6.根据权利要求5所述的一种基于反对称光栅的单片集成气体检测装置， 其特征在于， 所述反对称光 栅采用取样布拉格光 栅方式等效实现。 7.根据权利要求6所述的一种基于反对称光栅的单片集成气体检测装置， 其特征在于， 所述反对称光栅制作电极， 通过注入电流调整所述无源区的有效折射率， 进而控制所述反 对称光栅的布拉格波长 。 8.根据权利要求4所述的一种基于反对称光栅的单片集成气体检测装置， 其特征在于， 当所述无源 区(2)为单路时， 待测气体(5)通入所述辐射波导(21)的一侧， 与所述辐射波导 (21)的辐射光相互反应作用； 当所述无源区(2)为双路时， 所述无源 区(2)呈Y型结构， 包含 两组所述辐射波导(21)和所述多模波导(22)， 待测气体(5)通入两组所述辐射波导(21)之 间， 与所述辐射波导(21)的辐射光相互反应作用， 进而识别所述待测气体(5)中两种不同的 成分。 9.根据权利要求1 ‑4和5‑8中任一项所述的一种基于反对称光栅的单片集成气体检测 装置， 其特征在于， 所述探测器(3)的探测气体包括甲烷、 氧气、 氨气、 硫化氢、 一氧化碳 或二 氧化碳。 10.根据权利要求1 ‑4和5‑8中任一项所述的一种基于反对称光栅的单片集成气体检测 装置， 其特征在于， 所述单片集成 式气体检测芯片用于实现近红外激光检测， 或 中红外激光 检测。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114894743 A 2一种基于反对称光 栅的单片集成气体检测装 置 技术领域 [0001]本发明涉及光电子技术领域， 更具体的说是涉及一种光集成芯片， 该芯片主要应 用于气体吸 收谱检测领域， 可以实现低成本、 结构 简单紧凑的气体 检测装置 。 背景技术 [0002]近年来测量技术不断更新换代， 其中光学传感器发展尤为迅猛。 与此同时， 气体检 测技术应用场景越来越多， 比如生物医疗监测、 工业过程监测、 大气环境监测等。 人们对气 体检测技术的灵敏度、 响应度、 可靠性方面提出了更高的要求。 当前气 体检测主要有半导体 氧化物型气体传感器、 热学式气体传感器、 电化学式气体传感器、 气相色谱式分析仪、 光谱 吸收型传感器等等。 这些检测技术中非光学方法使用寿命较短， 容易中毒和老化， 很多情况 下不能在线监测。 而相比之下， 激光气 体检测具有灵敏度高、 检测精度高、 使用稳定性好、 不 易受到外界干扰、 环境 适应性好等优点。 [0003]在光学检测方法 中可调谐二极管激光吸收光谱检测(TDLAS)是目前气体检测的主 流技术方案之一。 其原理比较简单， 因为气体分子的转动与振动， 形成对特定波长光的吸 收。 通过可调谐激光器扫描波长， 对分子吸收谱信息进 行分析， 从而判断气 体分子的类别和 浓度。 目前此技术对激光器的波长特性要求较高， 而在不同环境温度下， 半导体激光器的工 作波长极易漂移， 从而偏离气体吸收峰。 这导致市面上的TDLAS传感器普遍成本较高， 因此 其大规模生产有一定的困难。 [0004]因此， 如何提供一种能够降低对激光器的制作工艺、 封装工艺的相关成本， 从而降 低TDLAS方法的成本， 扩大应用范围的气体 检测装置， 是本领域 技术人员亟需解决的问题。 发明内容 [0005]有鉴于此， 本发明提供了一种基于反对称光栅的单片集成气体检测装置， 旨在解 决上述技术问题。 [0006]为了实现上述目的， 本发明采用如下技 术方案： [0007]一种基于反对称光栅的单片集成气体检测装置， 包括集成制作在外延片上的有源 区、 无源区和探测 器； 所述有源区、 所述无源区和所述探测 器依次对接成型， 且所述无源区 为单路或双路结构， 所述有源区的数量为1个， 并与所述无源区对接， 所述探测 器的数量与 所述无源区的路数相同， 并与所述无源区对接； 所述有源区和所述探测器的能带结构一致， 所述无源区 能带的带隙大小与所述有源区不同。 [0008]通过上述技术方案， 本装置采用单片集成气体检测芯片， 光源仅需用宽谱光源， 通 过无源区滤波实现对波长的准确控制， 无源区物理过程对比起有源区相对简单， 波长更加 容易控制， 因此本发明降低了对激光器的制作工艺、 封装工艺的相关成本， 从而降低TDLAS 方法的成本， 扩大应用范围， 在未来智慧城市、 传感网络、 安全家居等方面具有很大的应用 价值。 [0009]有源区、 无源区、 探测器 的集成可以通过对接生长、 选择区域外延、 量子阱偏移和说　明　书 1/6 页 3 CN 114894743 A 3