泄漏型拓扑边缘态腔体用于片上太赫兹传感

《Laser & Photonics Reviews》：Leaky Topological Edge State Cavities for On-Chip Terahertz Sensing

　　

太赫兹（Terahertz, THz）片上传感对于实现紧凑集成的化学与生物检测平台至关重要。然而，由于太赫兹波与物质之间固有的弱相互作用，在紧凑器件尺寸内实现高灵敏度仍然具有挑战性。本研究提出并实验验证了一种利用工程化辐射泄漏来增强光-物质相互作用进而提升灵敏度的片上拓扑边缘态腔体（topological edge state cavity, TESC）传感器。通过调控谷光子晶体（valley photonic crystal, VPC）的面内反演对称性，拓扑边缘态从光锥下方连续移动至光锥上方，从而实现从导模到泄漏模的转变。导模TESC传感器展现出高达14?148的加载品质因子（loaded quality factor），提供精确的光谱分辨率。此外，泄漏型TESC传感器通过利用辐射泄漏与模式约束进一步增强太赫兹波-物质相互作用，其灵敏度相比导模TESC传感器提升了2.2倍，并实现了150.5?GHz?mm?1的高薄膜厚度灵敏度。这种拓扑保护与工程化辐射泄漏之间的协同作用建立了一种在不牺牲器件紧凑性的前提下增强光-物质相互作用的有效策略。研究结果表明，泄漏工程化拓扑腔体可作为高性能片上太赫兹传感及集成光子传感系统的稳健平台。

研究背景与科学问题

太赫兹（Terahertz, THz）传感技术因其非电离探测、对多种化学与生物分子具有独特光谱指纹特征以及能够穿透多种非金属材料等特性，在化学识别、生物医学诊断和安全筛查等领域展现出广阔前景。然而，THz波与物质之间固有的弱相互作用严重制约了传感器的灵敏度。为增强THz波-物质相互作用，研究人员发展了超材料与超表面、等离激元与介质谐振器、光子晶体（photonic crystal, PC）以及波导集成器件等多种平台。其中，片上THz腔体因具备强电磁场约束、紧凑器件尺寸以及与片上THz系统无缝集成的优势而备受关注。

近年来，拓扑谷光子晶体（valley photonic crystal, VPC）腔体因其拓扑保护带来的鲁棒光约束成为片上THz传感的有力候选平台。然而，由于拓扑边缘态（topological edge state, TES）的强波导特性，片上THz波通常被紧密约束在硅VPC芯片内部，限制了拓扑腔模式与分析物之间的相互作用，从而制约了灵敏度。

研究内容与结论

针对上述问题，研究人员提出并实验验证了一种泄漏工程化的拓扑边缘态腔体（topological edge state cavity, TESC）传感器。通过调控VPC的面内反演对称性，使TES从光锥下方移动至光锥上方，从而增强片上THz波的辐射泄漏，增加其与分析物的相互作用。导模TESC传感器采用导模拓扑波导构建，测得加载品质因子（loaded Q factor, Q_l）高达14?148，提供高光谱分辨率和低检测限。进一步地，利用泄漏拓扑波导构建泄漏型TESC传感器，灵敏度提升2.2倍，从67.7 GHz mm^?1增至150.5 GHz mm^?1，同时保持紧凑的腔体尺寸0.9 λ2（λ为共振波长）。该改进源于泄漏TESC模式与薄膜分析物之间相互作用的增强。可定制辐射泄漏的TESC传感器为下一代兼具高灵敏度与紧凑尺寸的片上THz传感提供了有力平台。

关键技术方法

1. 1.
   数值模拟：使用商用软件COMSOL Multiphysics的特征值求解器计算VPC单胞的能带结构和拓扑边缘态，空气与硅的介电常数分别设为1和10.7，分别对VPC单胞和拓扑界面施加Floquet边界条件。
2. 2.
   器件制备：基于6英寸高阻硅晶圆（电阻率>20 kΩ·cm，厚度500 μm）进行加工，先沉积2.5 μm二氧化硅（SiO?）作为刻蚀保护掩膜，通过紫外光刻与反应离子刻蚀将图案转移至SiO?层，再以深反应离子刻蚀（Oxford Estrelas）将硅刻蚀至350 μm深度，最后通过背面减薄至190 μm终厚。
3. 3.
   透射谱表征：使用矢量网络分析仪（vector network analyzer, VNA）系统进行测量，Keysight N5222B网络分析仪产生10 MHz至26.5 GHz微波信号，经WM-570 VNAX频率扩展模块上变频至330–500 GHz范围，接收端经下变频后由同一VNA分析，系统按WR-2.2波导标准执行SOLT校准。

研究结果

泄漏与导模拓扑边缘态

六边形VPC单胞包含两个等边三角形空气孔，边长分别为L₁和L₂，晶格常数a=220 μm，厚度t=190 μm。当面内反演（C₂）对称性保持时（L₁=L₂），K和K'谷出现简并狄拉克点；破缺C₂对称性（L₁≠L₂）则打开拓扑带隙。当ΔL=L₁–L₂=±0.6a时，带隙位于363.9–428.6 GHz。通过堆叠A型（ΔL>0）与B型（ΔL<0）VPC形成锯齿形界面，出现单一谷锁定TES。随着ΔL从0.2a增至0.6a，TES从光锥下方移至光锥上方，从导模转变为泄漏模。外部约束因子η从47.9%（导模TES）升至79.6%（泄漏TES），表明泄漏TES显著增强了光-物质相互作用。

器件结构与表征

将拓扑界面排列成闭合三角形路径构成TESC。制备了ΔL从0.6到0.2a的TESC芯片，腔体边长l从5增至27a，耦合距离d相应优化。导模TESC（ΔL=0.2a）在无分析物时于352.62 GHz处呈现尖锐共振凹陷，拟合得到加载Q因子（Q_l）=14?148，本征Q因子（Q_in）=22?775。随ΔL增大，辐射泄漏增加导致Q下降，泄漏TESC（ΔL=0.6a）的Q_l和Q_in分别降至68和131。

薄膜厚度传感性能

采用聚酰亚胺（Kapton）薄膜（折射率约1.6，与DNA/RNA相当）进行传感测试。将厚度T为6–15 μm的Kapton薄膜紧密贴附于整个TESC区域。随ΔL增大，Kapton薄膜引起的频移Δf增大：导模TESC（ΔL=0.2a）中Δf为1.62 GHz，泄漏TESC（ΔL=0.6a）中Δf为3.69 GHz（对比T=0与15 μm）。厚度灵敏度S随本征损耗率γ_in从0.016 GHz增至2.81 GHz而从67.7升至150.5 GHz mm^?1。品质因数（figure of merit, FoM=S/FWHM）则从导模的2715 mm^?1降至泄漏模的28 mm^?1，体现了高频移灵敏度与高FoM之间的权衡。

总结与讨论

研究人员实验证明了一种新型片上THz TESC传感器，通过利用辐射泄漏增强THz波-物质相互作用来提升灵敏度。通过调控VPC面内反演对称性以定制TES辐射泄漏，实现了Q因子从68到14?148的可调范围。导模TESC传感器达到2715 mm^?1的FoM，为片上THz传感平台最高值之一；泄漏TESC传感器则凭借增强的辐射泄漏与模式约束实现150.5 GHz mm^?1的高薄膜厚度灵敏度，较此前最高报道值提升三倍。研究结果表明，传统上被视为损耗的辐射泄漏反而可用于显著增强光-物质相互作用，在传感、非线性光学、极化激元学及量子光学等领域具有广泛前景。该工作建立了紧凑且鲁棒的片上THz传感平台，为集成光子系统中工程化光-物质相互作用开辟了新途径。