近日，挪威北极大学的物理与技术系研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种悬浮纳米光子波导，用于同位素特异性二氧化碳（CO2）的检测。这种纳米光子波导可以实现高灵敏度的气体检测，检测下限低至亿分之一，并首次实现了稳定同位素比率的高精度测量。该研究以“Suspended nanophotonic waveguide for isotope-specific CO2 detection”为题，发表在《Optica》期刊上。
突破性技术：将复杂的气体检测系统集成到芯片上
传统的气体检测系统通常依赖体积庞大、成本高昂的设备，其应用范围受到便携性和扩展性的限制。研究团队通过设计一种悬浮膜结构波导，解决了微型化气体传感器的核心挑战。该波导采用微结构包覆层设计，实现了外延场约束因子高达102%的超高光场-物质相互作用，同时保持低传播损耗（3.4 dB/cm）和有效的干涉抑制。
实验结果表明，该波导能够在4.345微米波长范围内检测到最常见的CO2同位素（12CO2和13CO2），并实现了δ13C同位素比率精确到0.2‰的突破性水平。这一性能相当于高端激光吸收光谱仪的表现，但设备体积更小，成本显著降低，为传感网络的扩展提供了新思路。
技术原理：高效的光场-物质相互作用设计
研究团队的设计核心在于优化波导的几何结构，通过悬浮的低应力硅氮化物（SiN）膜与二维亚波长阵列包覆层相结合，增强了光场外延场的分布，从而提高了气体分子的吸收信号。此外，该波导特有的对称性防止了模态间的辐射损耗，使其成为一种固有的无损导波模态（BIC）。
波导的膜厚度为0.5微米，并设计了5排缺失孔的核心区域，以确保单模操作和横向约束。通过实验测得，该波导的外延场因子达到102%，内延场因子仅为4%，在提高光场-物质相互作用的同时，极大降低了波导材料吸收损耗和侧壁散射。
实际性能与应用前景
团队的实验表明，该传感器能够以显著高于自由空间光谱的信噪比实现CO2的同位素检测。其检测灵敏度在12CO2为1 ppm，在13CO2为20 ppb。在450秒的时间序列数据中，δ13C比率的测量精度达到0.2‰，足以满足环境监测和气候研究的需求。此外，该设备在减少复杂光路调整的同时，极大提升了便携性和成本效益。
团队还强调，这种波导技术的优势不仅在于其高精度和灵敏度，还在于其可扩展性和兼容性。波导制造工艺采用商业化的CMOS兼容流程，易于实现与激光器和探测器模块的集成，未来可用于构建高端芯片级系统。
此次研究为同位素特异性气体检测开启了新的篇章。与传统系统相比，该悬浮波导在体积、灵敏度和成本之间找到了平衡，不仅在气候变化研究中具有重要意义，还可广泛应用于环境监测、生物医学诊断以及考古研究等领域。
研究团队相信，通过进一步优化波导设计并引入更适合中远红外波段的新材料（如硫系玻璃），这一技术将在未来十年内成为气体检测领域的主导方案，为环境保护和科技发展做出重要贡献。
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