近日，青岛青源峰达太赫兹科技有限公司首席科学家助理孟坤博士联合深圳大学洪斌斌助理教授在光学领域SCI期刊《Optics Express》上发表了题为“Efficient free-space to on-chip coupling of THz-bandwidth pulses for biomolecule fingerprint sensing”的研究性论文。该文于2023年1月10日正式发表，获评为当期编辑推荐文章（Editors’ Pick）。
本文面向生物大分子特征吸收指纹谱传感研究，针对超宽带太赫兹波与痕量物质难以充分相互作用的难题，提出了一种具有太赫兹带宽、易于耦合与集成、可低成本批量制备的太赫兹传感芯片，实现了将宽频亚皮秒太赫兹脉冲约束在深亚波长太赫兹槽线波导中，使衡量物质能充分地与电场增强的太赫兹波相互作用，从而解决了超宽带太赫兹痕量物质指纹谱研究的难题，为利用太赫兹波研究微观物质体系中的物理、生物、化学等过程提供了一种强有力的片上互作用平台。
▲ 传感芯片的原理图、实验设置和测量结果
(a)传感芯片原理图。(b)实验装置。L1、L2、L3、L4为TPX透镜。发射器和探测器是指太赫兹光导天线。红色半透明区域表示太赫兹信号的光路。插入图显示了所制造的传感芯片。(c)使用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统获得的自由空间(黑色)和片上(红色)时域信号。(d)自由空间光谱(黑色)和片上光谱(红色)。
具体地，太赫兹传感芯片的工作原理为将自由空间中的太赫兹波通过超宽带天线耦合到片上系统进行传输，并利用槽线波导的局域约束能力增强太赫兹波的电场强度，借此增强太赫兹波与乳糖等被检测粉末的相互作用强度。因而，仅需痕量的待检测物质即可检测到相应的特征光谱信息。首先通过数值仿真与实验测试相结合的方式对所选择的天线参数进行不断优化迭代，尽可能地提高天线耦合效率，将更强更宽频的太赫兹波耦合到片上波导中。利用紫外光刻、电子束蒸镀、lift-off剥离等微纳加工技术，研究人员批量制备了该传感芯片。经过优化，实测传感芯片的有效工作带宽范围为 0.2 至 1.15 THz，自由空间与片上耦合效率在 0.44 THz 时高达 51%。在整个频段内，太赫兹信号在室温下比噪声电平高出约 42 dB，峰值比噪声高出约 73 dB。通过在传感芯片中段互作用区槽线波导上添加1.0 mg的乳糖粉末，成功观察到了乳糖粉末在0.53 THz附近明显的吸收谷（该吸收谷与乳糖粉末在自由空间中的吸收谷频点位置相同）。该特征吸收谷是由α-乳糖晶体分子间氢键网络中沿 B 轴的外部受阻旋转模式所导致的。
▲ 不同长度的Vivaldi天线在几个代表性频率点上的远场辐射图
▲ Vivaldi天线和槽线波导的性能仿真和测量结果
(a)不同长度天线的反射系数。(b)弯曲波导的透射系数和反射系数。(a)和(b)由CST模拟得到。(c)传感芯片的总插入损耗。
(d)单个Vivaldi天线的插入损耗。(e)单个Vivaldi天线的耦合效率。(c)-(e)为测量所得。
▲ 不同宽度Vivaldi天线在几个代表性频率点上的远场辐射图
▲ 不同宽度Vivaldi天线的性能仿真和测量结果
(a)不同宽度天线的反射系数，通过CST模拟得到。(b)传感芯片的总插入损耗。(c)单个Vivaldi天线的插入损耗。(d)单个Vivaldi天线的耦合效率。(b)-(d)通过测量得到。
▲ 传感芯片上有和没有 α-乳糖一水合物粉末时的THz 信号和光谱
(a) 在有和没有（Unloaded）α-乳糖一水合物粉末的情况下测量的时域信号；(b) 与 (a) 中所示信号相关的频谱。插图显示了添加了α-乳糖一水合物粉末的传感芯片。该粉末的质量为1.0mg。传感芯片放置在EPS泡沫块的顶部；(c) 从 (a) 中提取的含有乳糖的截短信号；(d) 为(c) 的频谱。
《Optics Express》的最新影响因子为3.833，被归类为中科院二区期刊。本文得到了深圳大学汪国平教授的支持与指导、和范姝婷助理教授与刘旭东助理教授在理论和实验方面的帮助，以及国家自然科学基金、英国EPSRC基金和中物院横向项目的支持。
➤ 论文链接：https://doi.org/10.1364/OE.477664
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