CN114199809B - 单片集成红外激光气体检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单片集成红外激光气体检测装置，包括基底；激光器形成于基底表面，且包括依次连接的有源激光部和无源波导辐射部；有源激光部的波长制作在气体吸收峰；探测器的数量为两个，且形成于基底表面；两个探测器对称布置于无源波导辐射部的两侧；无源波导辐射部的两侧分别与两个探测器形成气体检测通道。本发明提供的气体检测装置包含了激光器与探测器两部分，激光器中的无源波导辐射部实现光在波导侧壁辐射，两个探测器制作在无源波导辐射部的侧面探测辐射光，无源波导辐射部与探测器中间的气体检测通道用于气室检测的功能，激光器波长制作在气体吸收峰，这样能够通过探测光吸收强度得到待测气体的浓度信息。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，更具体的说是涉及一种光集成芯片，包含了激光器发射与探测器接收；该芯片主要应用于激光吸收谱气体检测领域，可以实现低成本、结构简单紧凑的气体检测装置。
背景技术
人类生活、工业生产与自然界中存在了大量的危险、易燃易爆等气体，比如甲烷、硫化氢、氨气等等。这些气体的浓度不合理容易导致危害事件，所以对于这些气体的监控很重要，尤其是实现实时气体管控与安全管理。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。基于光学的检测技术具有测量范围广、与信息系统兼容而实现在线监测预判，且灵敏度高可靠性高。在光学检测方法中可调谐二极管激光吸收光谱(TDLAS)检测是目前气体检测的主流技术方案之一。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。该技术具有非接触式、响应快、与信息系统兼容等优势。目前该技术在具有甲烷场景的天然气管道遥测、煤矿与城市管廊的点测量等方面得到了广泛的应用。
目前基于TDLAS技术的激光检测主要是采用分离的封装激光器件、探测器以及气室等部分组成，通过电信号处理进行检测信号分析。该系统是光机电一体化复杂结构，尤其是需要将这些器件组装调试，最后导致了制造成本高，这造成了甲烷激光检测装置的应用受到很大的限制。
因此，如何提供一种可以实现低成本、结构简单紧凑的气体检测装置，是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种单片集成红外激光气体检测装置，旨在解决上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种单片集成红外激光气体检测装置，包括：
基底；
激光器；所述激光器形成于所述基底表面，且包括依次连接的有源激光部和无源波导辐射部；所述有源激光部的波长制作在气体吸收峰；
探测器；所述探测器的数量为两个，且形成于所述基底表面；两个所述探测器对称布置于所述无源波导辐射部的两侧；所述无源波导辐射部的两侧分别与两个所述探测器形成气体检测通道。
通过上述技术方案，本发明提供的气体检测装置包含了激光器与探测器两部分，激光器中的无源波导辐射部实现光在波导侧壁辐射，两个探测器制作在无源波导辐射部的侧面探测辐射光，无源波导辐射部与探测器中间的气体检测通道用于气室检测的功能，激光器波长制作在气体吸收峰，这样能够通过探测光吸收强度得到待测气体的浓度信息。
优选的，在上述一种单片集成红外激光气体检测装置中，所述基底表面与所述气体检测通道的对应处刻蚀有辐射槽；所述辐射槽为单独的槽体结构，或者为周期性的齿状槽体结构。能够增加光与气体相互作用，辐射槽可以基于ICP等手段进行刻蚀。
优选的，在上述一种单片集成红外激光气体检测装置中，所述辐射槽的壁上镀有增透膜。能够增加光在气体检测通道中的透过率。
优选的，在上述一种单片集成红外激光气体检测装置中，所述有源激光部为DFB激光器，或高阶表面光栅激光器，或取样光栅激光器；所述高阶表面光栅激光器和所述取样光栅激光器的光栅通过电子束曝光，或全息曝光，或光刻方式制备。一阶光栅一般采用电子束曝光，或者全息曝光等方法实现；高阶表面光栅因为周期比较长，所以可以用光刻的方法实现。
优选的，在上述一种单片集成红外激光气体检测装置中，所述基底采用III-V族化合物半导体材料，或II-VI族化合物半导体材料，或IV-VI族化合物半导体材料制成；所述探测器和所述有源激光部为同种外延结构，或通过外延对接生长方式进行制作；所述无源波导辐射部和所述有源激光部为同种材料，且通过外延材料对接生长制成。
优选的，在上述一种单片集成红外激光气体检测装置中，所述有源激光部制作电极正偏电流，所述探测器电极反偏。通过注入电流实现波导无材料损耗。
优选的，在上述一种单片集成红外激光气体检测装置中，所述有源激光部远离所述无源波导辐射部的一端镀有95％以上反射比例的第一反射膜，所述无源波导辐射部远离所述有源激光部的一端镀有3％-10％反射比例的第二发射膜。能够增加激光器的出光功率。
优选的，在上述一种单片集成红外激光气体检测装置中，所述无源波导辐射部通过设计窄波导宽度实现辐射模。
有源激光部的波导宽度设计成基模导模的波导，无源波导辐射部的波导宽度可以合理设计窄一点，实现辐射模。波导越窄，辐射越剧烈。这样光在无源波导辐射部一边传播一边波导侧壁辐射光。无源波导辐射部的侧面一定距离制作出探测器，而在探测器与无源波导辐射部中间为气体检测通道。
待测气体的气流流过气体检测通道，与无源波导辐射部辐射出来的光相互作用。如果光的波长正好是气体的吸收峰，那么探测器探测得到的光很弱。通过对激光器的电流调制，扫描波长，波长覆盖气体吸收峰，从而探测器得到的电流信号包含了气体的浓度信息。具体的算法和TDLAS技术类似，如二次谐波法和直接法等。
为了确保能产生单模激光，有源激光部为DFB激光器，该激光器可以确保单模激射，具体原理和传统的DFB半导体激光器原理相同。有源激光部制作电极正偏电流，实现激射。激光器的左侧端面镀膜高反膜，一般95％以上，无源波导辐射部右侧端面镀膜，为一定反射比例的膜，一般3％-10％。一方面增加光反馈，另一方面补偿波导侧壁辐射损耗。探测器电极反偏，探测器可以是激光器相同的外延材料，也可以用外延材料对接生长或者区域选择生长等方式对探测器性能进行优化。
综上所述，本发明的原理为：通过激光器发出来的光，经过无源波导辐射部，光从侧壁辐射出来，并经过气体检测通道与气体相互作用，然后传播到探测器。如果激光器的光波长与气体分子吸收峰相同，那么光被大幅吸收，如果不同则大部分被探测，通过比较激光强度实现对待测气体浓度的检测。因为不同气体分子的吸收峰位置不同，所以针对不同的待测气体，激光器的波长要专门设计制作。比如甲烷有1650.7nm和1653.9nm等。
依据本发明的结构，也可以制作中红外激光器实现中红外气体分子的检测。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种单片集成红外激光气体检测装置，具有以下有益效果：
1、本发明提供的气体检测装置包含了激光器与探测器两部分，激光器中的无源波导辐射部通过设计波导宽度实现光在波导侧壁辐射，两个探测器制作在无源波导辐射部的侧面探测辐射光，无源波导辐射部与探测器中间的气体检测通道用于气室检测的功能，激光器波长制作在气体吸收峰，这样能够通过探测光吸收强度得到待测气体的浓度信息。
2、本发明根据气体的吸收峰，通过设计外延结构和光栅周期实现不同的波长从而探测不同的气体，探测的气体包括甲烷、氧气、氨气、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1附图为本发明提供的单片集成红外激光气体检测装置的俯视图；
图2附图为本发明提供的单片集成红外激光气体检测装置的主视图；
图3附图为本发明提供的气流检测原理图；
图4附图为本发明提供的单独的槽体结构的辐射槽的示意图；
图5附图为本发明提供的周期性的齿状槽体结构的辐射槽的示意图；
图6附图为本发明提供的辐射槽壁上镀有增透膜的示意图；
图7附图为本发明提供的掩埋光栅示意图；
图8附图为本发明提供的表面高阶光栅示意图。
其中：
1-基底；
11-辐射槽；12-增透膜；
2-激光器；
21-有源激光部；22-无源波导辐射部；23-第一反射膜；24-第二发射膜；
3-探测器；
4-气体检测通道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见附图1至附图3，本发明实施例公开了一种单片集成红外激光气体检测装置，包括：
基底1；
激光器2；激光器2形成于基底1表面，且包括依次连接的有源激光部21和无源波导辐射部22；有源激光部21的波长制作在气体吸收峰；
探测器3；探测器3的数量为两个，且形成于基底1表面；两个探测器3对称布置于无源波导辐射部22的两侧；无源波导辐射部22的两侧分别与两个探测器3形成气体检测通道4。
参见附图4和附图5，基底1表面与气体检测通道4的对应处刻蚀有辐射槽11；辐射槽11为单独的槽体结构，或者为周期性的齿状槽体结构。
参见附图6，辐射槽11的壁上镀有增透膜12。
为了进一步优化上述技术方案，有源激光部21为DFB激光器，或高阶表面光栅激光器，或取样光栅激光器；高阶表面光栅激光器和取样光栅激光器的光栅通过电子束曝光，或全息曝光，或光刻方式制备。
为了进一步优化上述技术方案，基底1采用III-V族化合物半导体材料，或II-VI族化合物半导体材料，或IV-VI族化合物半导体材料制成。
为了进一步优化上述技术方案，探测器3和有源激光部21为同种外延结构，或通过外延对接生长方式进行制作。
为了进一步优化上述技术方案，无源波导辐射部22和有源激光部21为同种材料，且通过外延材料对接生长制成。
为了进一步优化上述技术方案，有源激光部21制作电极正偏电流，探测器3电极反偏。
为了进一步优化上述技术方案，有源激光部21远离无源波导辐射部22的一端镀有95％以上反射比例的第一反射膜23，无源波导辐射部22远离有源激光部21的一端镀有3％-10％反射比例的第二发射膜24。
为了进一步优化上述技术方案，无源波导辐射部22通过设计窄波导宽度实现辐射模。
为了实现单模稳定激光激射，有源激光部21本质上是一个DFB半导体激光器。DFB半导体激光器关键要制作波导光栅。目前波导光栅可以是掩埋光栅。一次外延后在表面做光栅，然后进行二次外延，最后光栅集成在激光器内部，一般为一阶光栅，其布拉格波长约等于激光器激射波长，如图7。也可以把光栅坐在激光器表面，称为表面光栅，如图8。光栅周期可以比较大，比如800nm～几微米。这样光栅的高阶分量周期的布拉格波长正好约等于激光器激射波长。一阶光栅一般采用电子束曝光，或者全息曝光等方法实现。高阶表面光栅因为周期比较长，所以可以用光刻的方法实现。
激光器2的波长设计需要和待测气体吸收峰一致。激光器2的增益谱通过量子阱调整，如果是近红外，一般是多量子阱材料结构，如果是中红外，一般是量子级联结构。激光器波长通过光栅周期调整，其光栅布拉格波长λ＝2neffΛ约等于待测气体的吸收峰。其中neff是波导有效折射率，Λ是光栅周期。因为第一反射膜23侧光栅随机相位，所以激光器2和布拉格波长2-3nm范围的误差。如果为了更加准确的激光波长，两侧的镀膜都是增透膜，激光器2光栅中间位置为相移光栅。如果是π相移光栅，激射波长等于布拉格波长。其光栅结构与传统的π相移光栅DFB激光器是一样的。
本发明中的半导体激光器的基底1一般应用III-V族化合物半导体材料，如GaAlAs/GaAs，InGaAs/InGaP，GaAsP/InGaP，InGaAsP/InP，InGaAsP/GaAsP，AlGaInAs等，同时也可应用II-VI族化合物半导体材料、IV-VI族化合物半导体材料等各种三元化合物、四元化合物半导体材料。有源激光部21的外延材料和传统的半导体激光器相同，无源波导辐射部22的外延可以通过对接生长让外延材料的能带波长相对激光器波长短100nm以上，探测器3的外延也可以和激光器2外延结构相同，或者进行对接生长等方式进行单独设计与制作，外延材料结构与传统面向气体的探测器相同。
本发明提供的DFB半导体激光器一端采用具有一定反射的膜，反射率范围在3％到10％的范围内，另一端采用高反射膜，反射率在95％以上，从而能够增加激光器2的出光功率。本发明的芯片中的DFB半导体激光器区域可以用于多种波段，具体如1310波段和1550波段和1650波段，具体根据待检测气体吸收峰确定。光栅周期的值与增益区量子阱材料需要根据具体的所需要的激射波长设计。
外延结构从下往上主要包括衬底、缓冲层、分别下限制层、多量子阱(阱和垒)和分别上限制层，光栅层、渐变掺杂层、盖帽层等。首先进行第一次外延材料生长，材料长到光栅层。制作光栅可以采用电子束曝光也可以全息曝光等前文所述方法。做好光栅后进行二次外延到盖帽层。然后波导的刻蚀，镀氧化膜做电隔离，开电极窗口，以及正蒸镀电极、减薄、蒸镀负电极。最后解离成bar条，进行端面镀膜。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种单片集成红外激光气体检测装置，其特征在于，包括：
基底(1)；
激光器(2)；所述激光器(2)形成于所述基底(1)表面，且包括依次连接的有源激光部(21)和无源波导辐射部(22)；所述有源激光部(21)的波长制作在气体吸收峰；
探测器(3)；所述探测器(3)的数量为两个，且形成于所述基底(1)表面；两个所述探测器(3)对称布置于所述无源波导辐射部(22)的两侧；所述无源波导辐射部(22)的两侧中的每一侧各布置了一个所述探测器(3)，形成气体检测通道(4)。
2.根据权利要求1所述的一种单片集成红外激光气体检测装置，其特征在于，所述基底(1)表面与所述气体检测通道(4)的对应处刻蚀有辐射槽(11)；所述辐射槽(11)为单独的槽体结构，或者为周期性的齿状槽体结构。
3.根据权利要求2所述的一种单片集成红外激光气体检测装置，其特征在于，所述辐射槽(11)的壁上镀有增透膜(12)。
4.根据权利要求1所述的一种单片集成红外激光气体检测装置，其特征在于，所述有源激光部(21)为DFB激光器，或高阶表面光栅激光器，或取样光栅激光器；所述高阶表面光栅激光器和所述取样光栅激光器的光栅通过电子束曝光，或全息曝光，或光刻方式制备。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种单片集成红外激光气体检测装置，其特征在于，所述基底(1)采用III-V族化合物半导体材料，或II-VI族化合物半导体材料，或IV-VI族化合物半导体材料制成。
6.根据权利要求5所述的一种单片集成红外激光气体检测装置，其特征在于，所述探测器(3)和所述有源激光部(21)为同种外延结构，或通过外延对接生长方式进行制作。
7.根据权利要求6所述的一种单片集成红外激光气体检测装置，其特征在于，所述无源波导辐射部(22)和所述有源激光部(21)为同种材料，且通过外延材料对接生长制成。
8.根据权利要求7所述的一种单片集成红外激光气体检测装置，其特征在于，所述有源激光部(21)制作电极正偏电流，所述探测器(3)电极反偏。
9.根据权利要求6-8任一项所述的一种单片集成红外激光气体检测装置，其特征在于，所述有源激光部(21)远离所述无源波导辐射部(22)的一端镀有95％以上反射比例的第一反射膜(23)，所述无源波导辐射部(22)远离所述有源激光部(21)的一端镀有3％-10％反射比例的第二发射膜(24)。
10.根据权利要求1-4和6-8中任一项所述的一种单片集成红外激光气体检测装置，其特征在于，所述无源波导辐射部(22)通过设计窄波导宽度实现辐射模。
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