基于一维拓扑光子晶体边缘态的高灵敏度折射率传感器设计与性能分析

本研究通过构建由两种拓扑相异的一维光子晶体(1D-PhCs)及界面缺陷层组成的传感器，利用拓扑保护边缘态(TES)实现折射率检测。通过计算Zak相位和传输矩阵法(TMM)分析，获得高达29383.759 RIU?1的品质因数(FOM)，其缺陷层厚度优化至810 nm时实现 unity transmittance，为高精度光学传感提供了抗干扰新方案。

　　

论文解读
在光学传感领域，传统折射率检测常面临灵敏度不足、环境干扰等问题。受量子霍尔效应(QHE)启发，拓扑光子学为设计抗干扰器件提供了新思路。光子晶体(PhCs)作为周期性介电结构，其拓扑边缘态(Topological Edge State, TES)具有背散射抑制特性，但如何利用其实现高精度传感仍是挑战。

由Council of Scientific and Industrial Research支持的团队在《Photonics and Nanostructures - Fundamentals and Applications》发表研究，提出基于硅(A层)/二氧化硅(B层)的一维拓扑光子晶体传感器。通过组合两种拓扑相异的PhC1(ABA)^N1和PhC2(BAB)^N2，并在界面引入缺陷层，利用传输矩阵法(TMM)分析TE偏振光传输特性，发现缺陷层厚度增至810 nm时，传感器性能最优。

关键技术

1. Zak相位计算：量化光子晶体的拓扑不变量
2. 传输矩阵法(TMM)：模拟1D结构的光学响应
3. 缺陷层优化：通过厚度调节增强局域场

研究结果
结构设计
传感器由PhC1(硅100 nm/二氧化硅230 nm)和PhC2(二氧化硅150 nm/硅厚度未明确)周期性堆叠构成，缺陷层为待测分析物。

性能分析

• 灵敏度提升：拓扑保护使波长随折射率变化显著偏移
• 品质因数突破：最优FOM达29987.42 RIU^?1，较传统传感器提升两个数量级
• 缺陷层效应：厚度增加至810 nm时实现 unity transmittance

结论与意义
该工作通过拓扑光子晶体边缘态实现了抗干扰、高灵敏度折射率传感。C.H Meghna等人证明，基于Zak相位设计的硅/二氧化硅异质结构，其TES特性可稳定检测微小折射率变化。INSPIRE Fellowship资助者Don Mathew指出，该传感器FOM值创纪录，为生物医学检测（如血红蛋白分析）和环境监测（如盐度传感）提供了新范式。研究首次将拓扑保护机制与缺陷层工程结合，为下一代光学器件开发奠定基础。