基于双曲超构材料的1D拓扑光子晶体，提升温度传感器性能
2024-08-31 23:05:33   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

随着信息技术的发展，光的操控和处理技术日益增多，并涉及许多应用领域。其中，光学回路、光门和全光开关被认为是至关重要的成果。然而，光信息技术的发展受到一些基本问题的阻碍。其中之一就是光子器件制造过程中的误差导致的巨大能量损失。为了解决这个问题，除了制造技术外，人们还在尝试探索物理原理。拓扑光子学是解决这类难题的一种可行方法。

由于光子拓扑势垒具有特殊的拓扑保持边缘态特性，如防止结构紊乱和拓扑保护，因此它们在集成光学中变得越来越重要。

拓扑光子技术在2D和3D拓扑光子晶体（TPC）中的应用，尤其是在组合回路和嵌入式光子器件领域的应用，由于其具有挑战性的设计和制造而受到很大限制。然而，由多层构成的1D拓扑光子晶体因其快速响应、高速、易于设计和低成本制造等有用特性，在一系列应用中展现出了明显的前景。在拓扑边缘态（TES）下，这些结构显示出对折射率（RI）的变化高度敏感的光学自适应谐振模式。目前的研究主要集中在光子晶体结构中折射率的变化，以便在DNA、癌细胞、细菌和气体检测等领域进行传感应用。

最近，双曲超构材料（HMM）引起了人们的广泛关注。HMM被认为是一种重要的各向异性超构材料（metamaterial），可应用于近场热传导、窄带吸收器、宽带反射器和超分辨率（super-resolution）成像等。与普通介质材料不同，由于其具有双曲等频曲线特性，HMM的传播相位随着入射角的增加而增加。

相位变化补偿效应可以通过使用HMM和常规介质材料创造出新的特性，如角度无关和红移光子带隙（PBG）。在具有HMM和介质层的单元结构中，光子晶体中PBG两端的传播相位可以相反，呈现出一种原始的角度依赖性1D宽带PBG，其红移和蓝移分别对应于长波段和短波段。

据麦姆斯咨询报道，近日，埃及贝尼苏夫大学（Beni-Suef University）、沙特国王大学（King Saud University）和韩国岭南大学（Yeungnam University）等机构的研究人员组成的团队提出了一种拓扑光子晶体结构设计，可应用于新型温度传感器。所提出的拓扑光子晶体结构包括两种不同的光子晶体设计，分别命名为PC₁和PC₂。PC₁由含有硅（Si）和二氧化硅（SiO₂）的多层堆叠设计而成，而在设计PC₂时考虑了SiO₂层和HMM的复合层。HMM层是使用Si和锗酸铋（BGO）的亚波长层设计的。团队研究了该结构在两个堆叠光子晶体设计中采用不同厚度的HMM层、Si层和SiO₂层时的光学特性。此外，还讨论了HMM的周期性和HMM内部Ag填充率的影响。最后，研究和讨论了局部谐振模式，以便利用这些拓扑和不变几何参数开发新型温度传感器，这有望成为1D光子晶体传感器的一种新方案。上述研究成果以“Improved performance of temperature sensors based on the one-dimensional topological photonic crystals comprising hyperbolic metamaterials”为题发表于Scientific Reports期刊。

如图1所示，所提出的1D拓扑光子晶体结构设计由两个不同的光子晶体构建而成。其中，PC₁由Si和SiO₂层构成，PC₂由SiO₂层和HMM层构成。

图1 PC₁和PC₂的示意图

图2a展示了通过排列两个光子晶体（PC₁和PC₂）生成的1D拓扑光子晶体的示意图。如图2b所示，所提出结构的透射特性显示，在研究的波长范围内出现了许多具有不同透射率值的谐振模式。这些模式被称为拓扑边缘态。这些模式可用于检测和感知一些变化的物理参数，如温度、电场、磁场和压力等。此外，如图2c和2d所示，在特定波长（如λ = 315.4 nm和λ = 1791 nm）下，产生的拓扑边缘态在整个近红外光谱范围内都是可见的。图2c和2d分别描述了拓扑边缘态的放大形式，分别具有0.7 nm和14 nm的半峰全宽（FWHM）值，以及93.9%和87.6%的透射率值。

图2 所设计的1D光子晶体的拓扑特性

图2c和2d中研究了异质结构的透射特性。在波长为315.4 nm和1791 nm处观察到具有PC₁和PC₂相反带隙拓扑参数的透射模式。尽管位于带隙重叠区域，这一透射模式表明拓扑边缘态位于两个光子晶体的异质结构相关界面，并引导光子通过。所产生的拓扑边缘态具有优异的品质因数（Q）。尽管拓扑边缘态具有较高的Q值，但某些透射率值问题可能会限制其在工业过程中的广泛应用。为了提升该结构在作为传感工具时的应用性能，建议使用拓扑1D光子晶体。

接着，研究人员还研究了SiO₂和Si层厚度、HMM厚度、Si层填充率和HMM周期性对所设计结构的拓扑特性的影响。

最后，研究人员讨论了谐振模式对温度变化的响应，如图3所示。温度变化被归类为外部参数，而不是几何变化。由于热光效应，该参数可能导致所考虑材料的光学特性发生显著变化，特别是折射率。因此，组成材料折射率的变化可能会导致谐振模式的透射率值和光谱位置发生一些变化。这种响应有望将这种设计视为一种有前景的温度传感器，其拓扑特性对几何公差具有一定的鲁棒性。

图3显示了所设计的1D拓扑光子晶体在不同温度下的透射光谱。结果表明，除了Q值为133之外，它还具有0.27 nm/°C的相对较高的灵敏度。

图3 1D拓扑光子晶体温度传感器的性能

综上所述，这项研究设计的1D拓扑光子晶体包含两个不同的光子晶体。研究人员使用特征矩阵模型和有效介质理论计算了设计中具有稳定性的谐振模式的特性。此外，他们还研究了SiO₂和Si层厚度、HMM厚度、Si层填充率和HMM周期性对出现的谐振模式特性的影响。数值结果表明，所设计的1D拓扑光子晶体不仅具有高度的稳定性和鲁棒性，而且能够抵御几何变化。与传统的均匀光子晶体相比，所提出的拓扑光子晶体具有相当低的阈值和更高的制造设施容差。因此，所提出的1D拓扑光子晶体结构可以作为温度传感器，除了Q值为133之外，还具有0.27 nm/°C的相对较高的灵敏度。这种新型的几何稳定、高性能的温度传感器有望成为一个值得研究的有前景的热点。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41598-024-69751-3

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