基于甘油缺陷腔拓扑镜异质结构的高品质因子一维光子晶体热传感研究

《Nanomaterials》：Ultrahigh-Q Topological Mirror Heterostructure for High-Resolution Thermal Sensing in One-Dimensional Photonic Crystals

　　

高分辨率光学热传感器因其在紧凑集成、电磁免疫和增强光谱精度方面的潜力而日益受到关注。本研究提出了一种基于一维光子晶体（1DPC）的拓扑镜异质结构，用于热传感应用。该结构包含交替的硅/甘油光子层，并引入甘油缺陷腔，将甘油的大热光响应与拓扑镜构型中拓扑边缘态的强场局域相结合。有限元方法（FEM）模拟揭示了在光子带隙内形成具有近单位透射率的超窄谐振模式。所提出的拓扑镜异质结构通过超窄谐振线宽和强光学约束实现了优异的热传感性能，从而获得超高品质因子和品质因数。优化后的设计实现了?0.1177 nm/°C的热灵敏度、接近1.8 × 108的品质因子以及1.53 × 104 °C?1的品质因数。该平台为需要高光谱分辨率和增强传感效率的紧凑型光子热传感器提供了一种有前景的途径。

一、研究背景与问题

高分辨率温度传感在生物医学诊断、环境监测、航空航天系统及工业过程控制等领域具有关键作用。传统热传感器（如热电偶、热敏电阻和电阻温度检测器）虽应用广泛，但存在电磁干扰敏感、微型化能力受限及微纳尺度下响应速度较慢等局限。光学热传感器凭借电磁噪声免疫、紧凑集成、远程操作和快速响应等优势受到广泛关注。一维光子晶体（1DPC）通过光子带隙工程能够操控和局域电磁波，其缺陷模式和谐振模式对温度引起的折射率变化高度敏感。然而，传统缺陷型谐振往往具有较宽的线宽，且对制造缺陷和结构无序敏感，限制了光谱分辨率和传感效率。拓扑光子结构通过界面局域态（即拓扑边缘态，TES）可实现超窄谐振线宽和高品质（Q）光学模式，为高性能光学传感提供了新途径。甘油因其较大的热光系数、液态可调谐性和与浸润式光子制造工艺的兼容性，成为热传感应用的理想材料。然而，将甘油集成到拓扑光子架构中，特别是一维拓扑镜异质结构中，此前尚未被深入探索。因此，本研究旨在将甘油的大热光响应与拓扑边缘态的强光学约束相结合，构建高分辨率热传感器，同时实现强热光可调谐性、超窄谐振线宽和高光谱选择性。

二、研究内容与主要技术方法

研究人员提出了一种基于硅和甘油交替层的一维光子晶体拓扑镜异质结构，用于高分辨率热传感。该结构由两个具有不同拓扑性质的光子晶体PC1和PC2构成，通过连接形成拓扑界面态，并在其基础上引入中央甘油缺陷层，形成缺陷工程化的拓扑镜腔。研究人员采用有限元方法（FEM），在COMSOL Multiphysics 6.2中针对横电（TE）偏振进行了数值模拟，采用硅和甘油折射率的实部，忽略材料吸收，以研究理想化谐振特性并隔离甘油热光响应的作用。硅的折射率取3.48，甘油的折射率随温度变化，表达式为n_Gl = n_o ? α(T ? T_o)，其中n_o = 1.4707为参考温度T_o = 20 °C下的折射率，α = 2.95 × 10^?4 °C^?1为甘油的热光系数。研究系统分析了缺陷层厚度和镜面周期数对传感性能的影响。

三、研究结果

3.1 拓扑1DPC

研究人员通过连接PC1和PC2形成异质结构界面，计算得到在带隙内约λ_c = 1310 nm处出现局域拓扑边缘态（TES），谐振呈现近单位透射率，半高全宽（FWHM）为Δλ = 1.82118 nm，品质因子Q = 719.31。电场分布证实了强场局域在PC1–PC2界面附近，确认了界面模式的局域特性。

3.2 拓扑镜异质结构热传感器

在环境温度T = T_o = 20 °C下，甘油折射率为n_Gl = 1.4707。由硅和甘油交替层构成的镜面对称拓扑异质结构在λ_TMES = 1330.02 nm处出现超窄拓扑镜边缘态（TMES）谐振，线宽Δλ = 3.53 × 10^?3 nm，品质因子Q = 3.77 × 10⁵。电场分布显示强局域在镜面界面处。温度从20 °C变化到55 °C时，由于甘油负热光效应，TMES谐振发生系统性蓝移，热灵敏度S_T = ?0.02428 nm/°C（等效82.3 nm/RIU）。品质因子和品质因数（FOM）随温度升高而逐渐增大。

3.3 缺陷工程化拓扑镜腔增强热传感

在两侧拓扑镜异质结构之间引入中央甘油缺陷层后，初始缺陷工程化腔在约1383.24 nm处出现谐振，线宽约7.85 × 10^?3 nm，品质因子Q ≈ 1.76 × 10⁵。该品质因子低于无中央缺陷的镜异质结构（Q ≈ 3.77 × 10⁵），但缺陷将场最大值重新定位到温度敏感的甘油区域，增强了光能与甘油的重叠，从而提高了热灵敏度。研究对比了甘油缺陷厚度D_Gl = 100、500和700 nm三种配置，发现D_Gl = 500 nm时在热可调谐性和光谱约束之间达到最佳平衡，具有最尖锐的谐振和最强的温度依赖性波长位移。热灵敏度随缺陷厚度呈非单调变化，在D_Gl = 500 nm附近达到最大值。该配置在整个研究温度范围内保持Q > 1.7 × 10⁵，FOM值约17 °C^?1。

进一步增加镜面周期数（N = 4、5和6），保持缺陷厚度D_Gl = 500 nm。N = 6时，在T = 35 °C下FWHM约7.745 × 10^?6 nm，品质因子Q ≈ 1.77 × 10⁸，FOM ≈ 1.52 × 10⁴ °C^?1。品质因子随镜面周期数增加而显著提升，源于辐射泄漏的逐步抑制。热灵敏度随周期数变化很小（N = 4、5和6分别为?0.1193、?0.1180和?0.1177 nm/°C），表明镜面周期主要控制谐振泄漏、线宽、品质因子和FOM，而热灵敏度主要由中央甘油缺陷与局域光场的相互作用决定。通过本征频率分析验证了透射谱提取的品质因子，相对差异低于0.49%。优化结构（N = 6，D_Gl = 500 nm）在25–55 °C范围内的平均信噪比（SNR）、光谱分辨率和温度检测极限分别约为3.1908 × 10⁵、2.2873 × 10^?7 nm和1.9427 × 10^?6 °C。与先前报道的结构相比，优化后的品质因子约为先前设计的18倍，FOM约为15倍。

3.4 制造容差与鲁棒性分析

研究人员在T = 35 °C下对N = 6结构进行了两种容差分析。第一种将所有周期硅层和甘油层厚度同时变化?3%、?1%、+1%和+3%，中央缺陷厚度固定在500 nm。结果表明超窄谐振在整个范围内保持可辨识，品质因子保持在约1.42 × 10⁸至1.68 × 10⁸之间，但+3%情况下峰值透射率降至0.148。第二种保持周期层为标称尺寸，独立变化中央缺陷厚度相同百分比范围，品质因子保持在约1.36 × 10⁸至1.73 × 10⁸之间。此外，对PC1中位置4的甘油层（标称200 nm）和PC2中位置4的硅层（标称97 nm）分别独立变化±3%，品质因子保持在约1.64 × 10⁸至1.67 × 10⁸之间。总体而言，±3%左右的偏差通常能保持超窄线宽和较高透射率。

四、讨论与结论

讨论部分总结： 研究人员指出，所提出的甘油缺陷腔谐振与直接PC1–PC2边界处形成的拓扑界面态在物理机制上有所不同。中央甘油层不具独立体拓扑不变量，其插入打破了局部周期性，产生法布里–珀罗型缺陷腔模式，周围PC1和PC2部分保留其独特的体拓扑性质，提供强反射光子晶体边界以约束光场。该机制区别于仅依赖耦合界面态的方法。研究人员还讨论了制造可行性，指出该结构可通过光刻、干法刻蚀和多层沉积等成熟光子微加工技术实现，甘油可通过毛细辅助浸润或光流控微系统（OFMs）选择性引入。甘油具有吸湿性，需在受控低湿度条件下处理高纯度无水甘油，并密封封装以防止水分吸收和气泡形成。热膨胀可通过集成密封微流控连接和外部补偿储液器来适应。表面粗糙度、结构缺陷、材料吸收和制造偏差会拓宽实测谐振并降低实验可达到的品质因子，因此报道值应视为理想化数值预测。

结论翻译： 本研究提出了一种基于硅和甘油交替层的缺陷工程化拓扑镜异质结构，用于高分辨率热传感应用。该结构强烈支持局域拓扑镜边缘态，在光子带隙内实现增强的光学约束和超窄谐振模式。优化后的结构在采用实折射率近似的条件下，表现出计算热灵敏度?0.1177 nm/°C、品质因数约1.53 × 10⁴ °C^?1以及接近1.8 × 10⁸的品质因子。这些数值反映了所提出设计预测的强光学约束和窄谐振线宽。该传感器的增强性能源于拓扑镜边缘态在甘油填充腔内的强局域化，实现了光学约束、超窄谐振线宽和高光谱选择性。结合甘油的大热光响应，该结构实现了具有超高品质因子和品质因数特性的高分辨率热传感。研究结果展示了将甘油热光调制与拓扑光子约束相结合，以实现紧凑、集成、高分辨率热传感平台的潜力。