综述：光子晶体与太赫兹技术的融合在下一代分析成像和生物传感中的应用：综述

《Analytica Chimica Acta》：Integration of Photonic Crystals with Terahertz for Next-Generation Analytical Imaging and Biosensing: A Review

　　

阿伊莎·萨尔弗拉兹·里兹维（Aysha Sarfraz Rizvi）|古拉姆·穆尔塔扎（Ghulam Murtaza）|牛强（Qiang Niu）|赵荣（Rong Zhao）|杨玉萍（Yuping Yang）

中国民族大学理学院，北京 100081

摘要：

光子晶体（PCs）是一种周期性介电结构，能够控制光的传播，为克服太赫兹（THz）技术中的长期挑战提供了一种变革性的方法。尽管太赫兹频谱（0.1–10 THz）在光谱学、成像和生物传感方面具有独特的优势，因为其使用的是非电离辐射并且对分子具有敏感性，但其实际应用一直受到太赫兹波产生和操控难度的阻碍。最近在基于光子晶体的太赫兹波导、滤波器和传感器方面的进展表明，定制的光子带隙可以显著提高设备的效率和灵敏度，并实现小型化。本综述总结了光子晶体与太赫兹技术（PC-THz）集成的进展，重点介绍了新兴的创新技术，包括基于石墨烯的光子晶体、增强型超材料器件以及太赫兹光纤。通过系统地解决制造精度、损耗机制和可扩展性问题，并批判性地评估生物传感中的水吸收限制，PC-THz平台有望实现下一代高分辨率成像、实时生物传感和超快通信系统。

引言

光子晶体（PCs）由于其周期性结构和特性，在光子学领域得到了研究人员的广泛认可，因为它们能够通过光子带隙（PBGs）控制光的传播[1]、[2]、[3]。这种控制光的能力在光学滤波器、波导和传感器等多种应用中都有体现[4]。虽然它们对可见光和红外光技术的影响已经得到了充分研究并得到了证实[5]，但它们在太赫兹（THz）范围内的潜力仍需进一步探索。

太赫兹波（也称为T射线[5]）位于微波和红外光谱之间（0.1-10 THz）[6]、[7]、[8]。它们具有独特的性质，例如非电离特性和能够穿透多种材料的能力，这使得它们在成像、光谱学和无线通信等领域非常理想[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]。然而，由于太赫兹波的产生、检测和空间引导的难度，有效操控这些波仍然具有挑战性。传统用于太赫兹技术的材料存在局限性，如高损耗、低灵敏度和有限的可调谐范围[15]。通过将光子晶体与太赫兹技术结合（图1），可以克服这些限制。利用光子晶体的PBG特性，可以制造出高效的光子波导、传感器和滤波器，从而提升性能。与现有的关于太赫兹光子学和超材料传感器的综述不同，本综述为光子晶体与太赫兹技术的集成提供了一个系统的框架，重点关注：（1）光子带隙工程，其中工程化的周期性（在太赫兹频率下为数百微米）能够实现对太赫兹波传播的前所未有的控制；（2）材料平台的进展，从传统的介电光子晶体发展到集成石墨烯的混合等离子体和超表面系统；（3）分析化学视角，将光子器件的性能转化为可测量的分析指标（灵敏度、选择性、重复性），这些指标对分析领域的读者具有相关性；（4）对不同架构之间的灵敏度、带宽、制造复杂性和成本之间的关键比较分析。

本综述批判性地评估了光子晶体与太赫兹技术集成的进展、主要挑战以及潜在的未来研究方向。其结构如下：第1节介绍了研究的空白和目的以及术语定义；第2节全面概述了光子晶体和太赫兹技术的基本原理；第3节讨论了基于光子晶体的太赫兹器件的最新进展，包括波导、滤波器和传感器；第4节概述了将光子晶体与太赫兹技术集成的挑战；第5节探讨了新兴趋势和未来研究方向。与以往主要关注太赫兹组件或光子结构的研究不同，本综述从应用驱动的角度建立了光子晶体与太赫兹技术集成的统一视角。它整合了最近的技术进展，并将结构设计原则与实际分析性能联系起来，强调了材料架构与传感结果之间尚未充分探索的关系。本综述为优化下一代太赫兹应用的光子晶体平台提供了新的见解，特别是在传感和分析系统中，并指出了可扩展和实用设备开发的方向。

在继续之前，我们将明确关键术语的定义，以确保概念的一致性。

光子晶体（PCs）是具有空间工程化折射率的周期性介电结构，它们通过创建光子带隙（PBGs）来控制电磁波的传播。

光子晶体光纤（PCFs）是一种光纤结构，其包层由周期性空气孔组成，而不是连续材料，从而通过带隙机制实现低损耗的波导传输。

超表面是由亚波长谐振器或相位移动元件组成的二维阵列，它们能够对电磁波前施加设计的相位不连续性，从而实现光束的整形和聚焦。

超材料是具有设计周期性的三维工程材料，表现出自然界中不存在的电磁特性（如负折射率、高阻抗等）。

金属透镜是一种特殊的超表面，通过控制相位调制实现亚波长精度的电磁辐射聚焦。

需要注意的是，超材料和光子晶体是相关的但不同的；超材料是更广泛的工程材料，而光子晶体专门利用周期性介电结构。超表面可以结合光子晶体的原理，但在二维空间内工作。金属透镜是基于超表面的聚焦元件，与传统光子晶体不同。

本综述采用以下方法系统地调查了光子晶体与太赫兹技术的集成：搜索的数据库包括Web of Science、Scopus和Google Scholar。本研究的关键词包括光子晶体、太赫兹、太赫兹光子学、PC-THz集成、超材料生物传感器太赫兹、光子晶体光纤和超表面太赫兹。我们纳入了2015年至2025年的数据，重点关注2023年至2025年的研究。我们排除了没有太赫兹应用且技术细节不足的一般光学光子晶体论文。此外，论文的选择基于标题或摘要的初步筛选，随后进行全文审查。

章节摘录

光子晶体

光子晶体是一种光学周期性材料，能够以传统材料无法实现的方式控制电磁波的传播[1]。这些结构具有可调的光子带隙（PBGs），可以抑制某些波长区域的光传播[16]。这种光控制技术在波导和滤波中至关重要，因为光被限制在狭窄的路径中，并且可以选择性地传输特定频率的光[17]。

太赫兹波导和滤波器

表1比较了基于光子晶体的太赫兹波导的性能。

在基于硅片的波导中，已经展示了光子晶体集成太赫兹技术的重大进展，这些波导利用光子带隙（PBG）效应来引导太赫兹辐射，其损耗远低于传统替代方案[32]。一个关键结果是，在0.3-THz频段（0.326-0.331 THz）内报告的损耗低至<0.1 dB/cm，并且成功实现了50厘米波导中的无误差视频传输

将光子晶体与太赫兹技术集成的挑战

尽管取得了有希望的进展，但仍有一些挑战阻碍了光子晶体与太赫兹技术的完全集成。这些挑战包括提高调制速度和操作能量，以便与商用EO和磁光技术竞争[82]。此外，还存在材料限制、制造复杂性、性能和可扩展性问题。

材料创新

开发新材料是克服当前基于光子晶体的太赫兹器件局限性的关键研究领域。谷型光子晶体（VPCs）通过克服缺陷和尖锐角，为太赫兹波在复杂波导中的高质量传输提供了新的可能性，这对于提高太赫兹器件的性能非常重要[97]。同时，关于在光子器件中开发和应用有机非线性光学（NLO）晶体的研究也在增加，从而增强了材料性能

结论

将光子晶体与太赫兹技术集成在推进太赫兹波导、滤波器和成像系统的能力方面显示出了显著的前景。光子晶体的PBG特性通过前所未有的太赫兹波传播控制改善了太赫兹器件的性能。在多个性能维度上，光子晶体和太赫兹相关平台取得了显著进展。已经实现了超低损耗波导，其在优化频率下的损耗低于0.1 dB/cm

CRediT作者贡献声明

古拉姆·穆尔塔扎（Ghulam Murtaza）：撰写——审稿与编辑。阿伊莎·萨尔弗拉兹·里兹维（Aysha Sarfraz Rizvi）：撰写——初稿。杨玉萍（Yuping Yang）：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取。赵荣（Rong Zhao）：撰写——审稿与编辑。牛强（Qiang Niu）：撰写——审稿与编辑

未引用的参考文献

[99]、[100]。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

国家自然科学基金（资助编号：W2433036和62075248），北京市自然科学基金（资助编号：IS24083、IS25072和4252059），人力资源和社会保障部的国家级外国专家项目（资助编号：Y20240233和Y20250007），以及中国民族大学的跨学科项目（资助编号：2024JCYJ24）。

杨玉萍博士是中国民族大学理学院的教授，同时也是纳米材料与技术系的主任。她拥有中国科学院物理研究所的光学博士学位。她的研究重点是太赫兹光谱学和成像，特别关注使用太赫兹超材料和超表面开发高灵敏度生物传感技术，用于临床诊断应用。杨博士曾担任访问