青島青源峰達(dá)太赫茲科技有限公司
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青島青源峰達(dá)太赫茲科技有限公司
閱讀：522發(fā)布時(shí)間：2023-9-14
近日，青島青源峰達(dá)太赫茲科技有限公司科學(xué)家助理孟坤博士聯(lián)合深圳大學(xué)洪斌斌助理教授在光學(xué)領(lǐng)域SCI期刊《Optics Express》上發(fā)表了題為“Efficient free-space to on-chip coupling of THz-bandwidth pulses for biomolecule fingerprint sensing”的研究性論文。該文于2023年1月10日正式發(fā)表，獲評為當(dāng)期編輯推薦文章（Editors’ Pick）。
本文面向生物大分子特征吸收指紋譜傳感研究，針對超寬帶太赫茲波與痕量物質(zhì)難以充分相互作用的難題，提出了一種具有太赫茲帶寬、易于耦合與集成、可低成本批量制備的太赫茲傳感芯片，實(shí)現(xiàn)了將寬頻亞皮秒太赫茲脈沖約束在深亞波長太赫茲槽線波導(dǎo)中，使衡量物質(zhì)能充分地與電場增強(qiáng)的太赫茲波相互作用，從而解決了超寬帶太赫茲痕量物質(zhì)指紋譜研究的難題，為利用太赫茲波研究微觀物質(zhì)體系中的物理、生物、化學(xué)等過程提供了一種強(qiáng)有力的片上互作用平臺(tái)。
▲ 傳感芯片的原理圖、實(shí)驗(yàn)設(shè)置和測量結(jié)果
(a)傳感芯片原理圖。(b)實(shí)驗(yàn)裝置。L1、L2、L3、L4為TPX透鏡。發(fā)射器和探測器是指太赫茲光導(dǎo)天線。紅色半透明區(qū)域表示太赫茲信號的光路。插入圖顯示了所制造的傳感芯片。(c)使用太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)系統(tǒng)獲得的自由空間(黑色)和片上(紅色)時(shí)域信號。(d)自由空間光譜(黑色)和片上光譜(紅色)。
具體地，太赫茲傳感芯片的工作原理為將自由空間中的太赫茲波通過超寬帶天線耦合到片上系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，并利用槽線波導(dǎo)的局域約束能力增強(qiáng)太赫茲波的電場強(qiáng)度，借此增強(qiáng)太赫茲波與乳糖等被檢測粉末的相互作用強(qiáng)度。因而，僅需痕量的待檢測物質(zhì)即可檢測到相應(yīng)的特征光譜信息。首先通過數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)測試相結(jié)合的方式對所選擇的天線參數(shù)進(jìn)行不斷優(yōu)化迭代，盡可能地提高天線耦合效率，將更強(qiáng)更寬頻的太赫茲波耦合到片上波導(dǎo)中。利用紫外光刻、電子束蒸鍍、lift-off剝離等微納加工技術(shù)，研究人員批量制備了該傳感芯片。經(jīng)過優(yōu)化，實(shí)測傳感芯片的有效工作帶寬范圍為 0.2 至 1.15 THz，自由空間與片上耦合效率在 0.44 THz 時(shí)高達(dá) 51%。在整個(gè)頻段內(nèi)，太赫茲信號在室溫下比噪聲電平高出約 42 dB，峰值比噪聲高出約 73 dB。通過在傳感芯片中段互作用區(qū)槽線波導(dǎo)上添加1.0 mg的乳糖粉末，成功觀察到了乳糖粉末在0.53 THz附近明顯的吸收谷（該吸收谷與乳糖粉末在自由空間中的吸收谷頻點(diǎn)位置相同）。該特征吸收谷是由α-乳糖晶體分子間氫鍵網(wǎng)絡(luò)中沿 B 軸的外部受阻旋轉(zhuǎn)模式所導(dǎo)致的。
▲ 不同長度的Vivaldi天線在幾個(gè)代表性頻率點(diǎn)上的遠(yuǎn)場輻射圖
▲ Vivaldi天線和槽線波導(dǎo)的性能仿真和測量結(jié)果
(a)不同長度天線的反射系數(shù)。(b)彎曲波導(dǎo)的透射系數(shù)和反射系數(shù)。(a)和(b)由CST模擬得到。(c)傳感芯片的總插入損耗。
(d)單個(gè)Vivaldi天線的插入損耗。(e)單個(gè)Vivaldi天線的耦合效率。(c)-(e)為測量所得。
▲ 不同寬度Vivaldi天線在幾個(gè)代表性頻率點(diǎn)上的遠(yuǎn)場輻射圖
▲ 不同寬度Vivaldi天線的性能仿真和測量結(jié)果
(a)不同寬度天線的反射系數(shù)，通過CST模擬得到。(b)傳感芯片的總插入損耗。(c)單個(gè)Vivaldi天線的插入損耗。(d)單個(gè)Vivaldi天線的耦合效率。(b)-(d)通過測量得到。
▲ 傳感芯片上有和沒有 α-乳糖一水合物粉末時(shí)的THz 信號和光譜
(a) 在有和沒有（Unloaded）α-乳糖一水合物粉末的情況下測量的時(shí)域信號；(b) 與 (a) 中所示信號相關(guān)的頻譜。插圖顯示了添加了α-乳糖一水合物粉末的傳感芯片。該粉末的質(zhì)量為1.0mg。傳感芯片放置在EPS泡沫塊的頂部；(c) 從 (a) 中提取的含有乳糖的截短信號；(d) 為(c) 的頻譜。
《Optics Express》的影響因子為3.833，被歸類為中科院二區(qū)期刊。本文得到了深圳大學(xué)汪國平教授的支持與指導(dǎo)、和范姝婷助理教授與劉旭東助理教授在理論和實(shí)驗(yàn)方面的幫助，以及國家自然科學(xué)基金、英國EPSRC基金和中物院橫向項(xiàng)目的支持。
? 論文鏈接：https://doi.org/10.1364/OE.477664
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