利用慢光拓扑腔实现片上传感

《Advanced Optical Materials》：On-Chip Sensing with Slow Light Topological Cavities

本文提出了一种基于慢光效应的 Valley Photonic Crystal（VPC）波导腔系统，通过设计带有非慢光和慢光模式的腔体结构，显著提升了太赫兹传感器的灵敏度。实验表明，慢光腔体在减小尺寸的同时，利用慢光效应增强光-物质相互作用，灵敏度较非慢光腔提高三倍，厚度分辨率降低至0.26微米，为下一代高集成度太赫兹传感技术提供了新方案。

　　在当今快速发展的科技领域，中红外到太赫兹波段的电磁波因其独特的物理特性和应用潜力，正成为一种重要的研究方向。特别是在微型化、实时性和无标记检测方面，太赫兹（THz）波展现出显著的优势，使其在生物传感、环境监测和化学分析等领域具有广阔的应用前景。然而，传统的THz传感技术在小型化和高灵敏度方面面临诸多挑战，尤其是在实现高检测精度的同时，如何减少设备体积成为关键问题之一。近年来，基于拓扑光子结构的传感平台因其在抗散射和结构缺陷方面的优异性能，被认为是解决这些问题的有力工具。其中，谷光子晶体（Valley Photonic Crystals, VPCs）作为一种特殊的拓扑光子结构，因其在THz波段中表现出的强光-物质相互作用和稳定信号传播特性，成为研究的热点。

谷光子晶体通过其独特的拓扑保护机制，能够在结构缺陷和表面粗糙度等不利条件下保持信号的稳定传输，从而显著提高传感系统的可靠性。这一特性源于谷光子晶体在布里渊区边缘处的非对称设计，使得光场在传播过程中能够沿特定路径锁定，避免因结构不规则而导致的信号损失。此外，谷光子晶体还能够通过调控光子模式的传播特性，实现对光-物质相互作用时间的延长，这对于提升传感灵敏度至关重要。然而，传统的谷光子晶体传感系统在实现高灵敏度的同时，往往需要较大的物理尺寸，这与当前对微型化、集成化传感设备的需求相悖。因此，如何在减小设备尺寸的前提下，仍能维持甚至提升检测性能，成为该领域研究的核心课题。

慢光效应（Slow-light effect）作为一种通过调控光波传播速度来增强光-物质相互作用的物理现象，为解决上述问题提供了新的思路。慢光效应可以通过材料的色散特性以及模式控制来实现，其核心在于通过改变光波的群速度，使光场在较小的物理空间内与物质发生更长时间的相互作用。这种特性使得慢光结构在减少光路长度的同时，能够保持甚至增强光-物质相互作用的强度，从而显著提升传感灵敏度。在THz波段，慢光效应的实现需要借助于特定的拓扑光子结构，如谷光子晶体中的不同界面设计，以控制光场的传播方向和速度。

基于这一原理，研究人员设计了一种新型的片上慢光谷光子晶体波导-谐振腔系统，该系统在结构上采用了混合的锯齿型（zigzag-type）和山型（bearded-type）布里渊区（Brillouin Zone, BZ）界面。这种设计不仅保留了拓扑光子结构的抗散射特性，还通过慢光效应显著缩短了光路长度，从而在不增加设备尺寸的前提下，增强了光场与物质的相互作用时间。具体而言，研究团队构建了三种不同的谐振腔配置：一种为非慢光腔（NSL cavity），其余两种为慢光腔（SL cavity），其中后者通过调节锯齿型和山型界面的长度比例，实现了不同程度的慢光效果。实验结果显示，尽管慢光腔的物理尺寸比非慢光腔小，其光场在腔体内的相互作用时间却显著增加，从而提升了检测灵敏度。

在实验中，研究团队利用聚酰亚胺（Kapton）薄膜作为待测物质，通过测量其对腔体共振频率的影响，验证了慢光腔在厚度检测方面的优越性能。Kapton薄膜的折射率（约为1.6）与生物分子（如DNA和RNA）的折射率（通常在1.4到1.7之间）相近，使其成为理想的测试样品。实验中，随着Kapton薄膜厚度的增加，腔体的共振频率发生了明显的红移，表明光场与薄膜之间发生了有效的相互作用。通过对共振频率变化的分析，研究团队进一步计算了不同腔体结构的检测灵敏度和厚度分辨率，结果表明慢光腔的灵敏度相比非慢光腔提升了三倍，同时厚度分辨率降低了三倍。这一发现不仅验证了慢光效应在提升THz传感性能方面的潜力，也展示了其在实现高精度、微型化传感系统中的重要价值。

在实现慢光效应的过程中，研究团队还特别关注了光场的分布特性。通过三维仿真，他们发现慢光腔的光场在腔体内的分布更加集中，尤其是在腔体的横向（x-z平面）方向上，光场能量主要集中在腔体表面附近的倏逝场（evanescent field）中。这一特性对于倏逝场传感至关重要，因为倏逝场与物质之间的相互作用决定了检测的灵敏度和分辨率。为了量化这一现象，研究团队引入了倏逝场比（Evanescent Field Ratio, EFR）作为衡量标准，计算了不同腔体结构中倏逝场能量占比。结果显示，尽管慢光腔的物理尺寸较小，其EFR值却与非慢光腔相近，表明慢光效应能够有效补偿因尺寸减小而导致的光场能量衰减，从而维持甚至提升检测性能。

此外，研究团队还对慢光腔的光场传播特性进行了深入分析。通过模拟不同界面结构下的光子带结构，他们发现锯齿型界面支持非慢光模式，其光场传播速度较快，而山型界面则能够通过调整空气孔的尺寸，显著降低光场的群速度，从而实现慢光效应。这两种界面的结合使得慢光腔能够在较小的物理空间内实现更长的光-物质相互作用时间，同时保持光场的稳定传播。这种混合设计不仅优化了腔体的结构性能，还为实现更高效的THz传感提供了新的可能性。

在实验验证方面，研究团队构建了基于非慢光和慢光腔的片上THz传感芯片，并通过矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer, VNA）测量了其在不同厚度下的共振频率变化。实验中使用的Kapton薄膜厚度范围为8至25微米，通过逐步增加薄膜厚度，研究团队观察到了共振频率的显著红移。这一现象表明，慢光腔能够更有效地捕捉到薄膜厚度的变化，并将其转化为可测量的频率偏移。为了进一步验证这一结果，研究团队还通过拟合共振频率的偏移曲线，计算了不同腔体结构的灵敏度和厚度分辨率。结果显示，慢光腔的灵敏度比非慢光腔高出三倍，而厚度分辨率则降低了三倍，表明慢光效应在提升检测性能方面具有显著优势。

研究团队还对慢光腔的检测因子（Detection Factor, FOM）进行了评估，以衡量其在THz传感中的综合性能。检测因子定义为半高全宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）与灵敏度的比值，即 $ P = \text{FWHM}/S $，其中 $ S $ 表示灵敏度。结果显示，尽管慢光腔的灵敏度更高，其FWHM值也相应增加，但整体检测因子仍然优于非慢光腔，表明慢光腔在保持高灵敏度的同时，仍能维持良好的频率分辨率。这一结果进一步验证了慢光腔在THz传感中的可行性，并为其在更广泛的应用场景中提供了理论支持。

在设计和制造过程中，研究团队采用了先进的硅光子学技术，确保了传感芯片的高精度和可扩展性。芯片的基底为高电阻率硅（HR-Si）晶圆，其厚度为220微米，能够有效实现THz波的垂直方向约束，避免光场在传播过程中的泄漏。此外，芯片的结构设计充分利用了拓扑光子晶体的特性，通过在锯齿型和山型界面处引入不同长度的空气孔，实现了对光场传播路径和速度的精确调控。这种设计不仅提高了光场在腔体内的相互作用时间，还增强了系统的环境适应性和稳定性，使其能够在复杂条件下保持优异的检测性能。

实验结果显示，慢光腔在减小物理尺寸的同时，能够实现更高效的光-物质相互作用，这为未来微型化、集成化的THz传感系统提供了重要的技术支持。特别是在下一代6G通信系统中，THz波的应用前景广阔，而基于慢光效应的谷光子晶体传感平台则能够满足对高精度、高可靠性检测的需求。此外，该技术还具有广泛的应用潜力，例如在实验室芯片（lab-on-chip）传感、生物分子检测和环境监测等领域，为实现更高效、更精准的检测提供了新的解决方案。

综上所述，这项研究通过引入慢光效应，成功提升了基于谷光子晶体的片上THz传感系统的性能。实验结果表明，慢光腔能够在减小物理尺寸的同时，实现更高的检测灵敏度和更低的厚度分辨率，这为未来开发更紧凑、更高效的THz传感设备提供了重要的理论依据和技术支持。同时，该研究还揭示了慢光效应在增强光-物质相互作用时间方面的潜力，为实现高精度、高可靠性的THz传感技术开辟了新的方向。随着相关技术的不断进步，基于慢光效应的谷光子晶体传感平台有望在未来成为THz传感领域的主流技术之一，推动该领域向更高效、更精准的方向发展。