IBM公司Thomas J. Watson研究中心的团队展示了一种基于硅光子技术的芯片级光谱仪，它比一角硬币还要小，对甲烷的探测灵敏度高于100ppm。

光谱仪采用光纤连接1650 nm半导体激光器和砷化镓铟（InGaAs）近红外探测器来探测甲烷浓度，并使用可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS）。IBM团队的光谱仪设计使用了从长度为10厘米但非常窄的硅波导中逸出的倏逝光。激光穿过一条狭窄的硅波导，它是位于芯片上方长度为10厘米长的蛇形格局，可以测定16平方毫米的范围。一些光被捕获在波导内部，而大约25%的光会延伸到硅的外部进入空气中，在那里它可以与经过传感器波导附近的微量气体分子相互作用。为了提高设备的灵敏度，研究人员仔细测量和控制了导致噪声和假吸收信号的因素，微调了光谱仪的设计，并确定了波导的几何参数使其能够产生令人满意的结果。

一、成本低且运行多年不用维护

IBM团队的首席研究员William Green表示，“该方法使用了为光通信应用开发的元器件，对目前数万美元成本的甲烷传感光谱仪来讲，成本大幅降低。此外，由于没有运动部件，也没有精确温度控制的基本要求，这种传感器可以运行多年且几乎不需要维护。”

这种光谱仪采用的材料是计算机芯片使用的硅制成的光学材料，可以用大容量加工方法来制造这种基于芯片的甲烷光谱仪，所以光谱仪连同外壳和电池或太阳能电源，如果批量生产的话，成本可能低至几百美元数量。

二、传统激光甲烷比精度更高，噪声影响更小

研究人员发现，基于芯片的光谱仪比传统激光甲烷传感器更加精确，并且减少了75%与空气相互作用的光。此外，芯片传感器的灵敏度通过甲烷浓度的最小可辨别范围来量化，并显示出具有更优越的性能。

IBM团队的Eric Zhang解释：“虽然硅光子学系统——特别是那些使用折射率变化的传感系统，以前已经被探索，但是我们工作的创新部分是使用这种类型的系统来检测低浓度甲烷非常弱的吸收信号，和对我们传感器芯片噪声和最小检测阈值的综合分析。”

三、使用场景

这种成本低廉且质量结实的光谱仪可以应用非常广泛，可以为未来用于气体泄漏检测和废气偷排监测等应用提供低成本、高灵敏度的甲烷探测器解决方案。典型的用户可能包括石油和天然气公司，他们能够立即发现和测量泄漏，而不再依赖常规的专业检查。

例如，IBM团队正在与石油和天然气行业的合作伙伴共同开展一个项目，该项目将使用光谱仪来检测甲烷泄漏，避免了成千上万个泄露地点的现场查找和修复，可以节省公司的时间和金钱。

“在天然气开采和传输过程中，当设备发生故障、阀门卡住或管道出现裂纹时，甲烷可能会泄漏到空气中，”Green补充道，“我们正在研究开发，创建传感器网络，分布在此过程的各个环节，这些传感器的数据由IBM的物理分析软件处理，能自动查明泄漏的位置，并量化泄漏量。"

“我们的长期愿景是将这些类型的传感器并入人们每天都在使用的如手机或交通工具等家用事物中。这些传感器可用于检测污染、危险的一氧化碳含量水平或其他感兴趣的分子。”研究团队成员Eric Zhang说。“因为这种光谱仪提供了一个用于多物种检测的平台，有一天或许它也可以用于呼吸分析进行健康监测。