研究背景：

硅基超均匀无序固体（Hyperuniform Disordered Solids，简称HUDS）是一类兼具无序系统宏观各向同性与有序系统长程有序性的光子带隙材料，在光电子、光通信、光传感等领域具有巨大应用潜力。目前，研究人员采用成熟的半导体工艺，结合形貌修饰（Laser & Photonics Reviews 17, 2300398）、网格优化（Laser & Photonics Reviews 19, 2400469）等方法，研发了具有低光学损耗、高加工容差的HUDS硅基波导器件，并用于激光、偏振、滤波等领域。然而，现有的HUDS波导器件仍存在倏逝场受限的问题，限制了片上光与环境分子间的作用，使其难以用于传感应用。因此，探索HUDS光场调控机制，实现抑制波导传输损耗的同时显著增强其倏逝场占比，是一个非常有价值的科研课题。

文章概述：

近日，天津大学程振洲教授、上海科技大学邹毅副教授联合深圳大学、香港中文大学、汉威科技集团等单位，合作研究了一种用于气体传感的HUDS波导，成果以封面论文的形式发表在Advanced Optical Materials期刊上。研究人员将亚波长光栅（Subwavelength Grating，简称SWG）结构嵌入采用形貌修饰和网格优化方法设计的HUDS波导中，发现新型HUDS波导仍能保持很好的导光特性，并具有显著提升的空气倏逝场占比。进一步，采用聚六亚甲基双胍盐酸盐（Polyhexamethylene Biguanide Hydrochloride，简称PHMB）对器件进行传感增敏，实验结果表明，器件对CO₂的传感灵敏度达到-2.91 pm·ppm-1，检测限达到~29 ppm，为高灵敏度CO₂传感芯片的研发奠定了基础。

图文导读：

图1是所提出的HUDS波导的概念图。通过向满足隐形性（即limk→0S(k)=0）的HUDS结构中嵌入亚波长光栅结构调控波导光场，从而实现强倏逝场、低损耗的波导传输。

图1.所提出的HUDS 波导概念图。 (a) 器件结构示意图，插图为SWG嵌入HUDS波导与悬浮波导结构示意图；(b) HUDS点分布的结构因子；(c) SWG结构的有效折射率

图 2 为SWG嵌入 HUDS 波导器件的形貌与性能表征结果。HUDS波导器件透射光谱与自由光谱范围测试结果表明，提出的HUDS结构与先前研究中结果一致，具备较宽通带与低色散。其次，所提出的HUDS波导表现出较低的温度响应特性，有助于降低环境温度变化对传感器的干扰。

图2.所提出的HUDS 波导器件的表征结果。 (a) SWG嵌入HUDS波导的电镜图；(b) SWG嵌入HUDS波导的马赫-曾德尔干涉仪电镜图；(c) SWG嵌入HUDS波导的透射光谱；(d) 马赫-曾德尔干涉仪的透射光谱测量结果；(e) 马赫-曾德尔干涉仪的温度响应特性

图 3 是HUDS 波导CO₂传感器的实验测试结果。采用PHMB增敏后，实现了对低浓度CO₂的高灵敏度检测，器件对CO₂气体的传感灵敏度达到-2.91 pm·ppm^-1，检测限达到~29 ppm，并在动态响应与循环测试中均表现出良好的重复性。该工作为开发芯片级的CO₂传感器提供了新的技术路径。

图3.所提出的HUDS 波导CO₂传感测量结果。 (a) PHMB增敏的HUDS波导透射光谱；(b) PHMB增敏的HUDS波导马赫-曾德尔干涉仪的透射光谱；(c) 不同CO₂浓度下器件的透射光谱；(d) 干涉特征波长偏移随CO₂浓度的变化；(e) CO₂浓度变化的动态传感响应；(f) CO₂传感的重复性测试

该工作得到了国家重点研发计划（2024YFF0907701、2024YFF0907702）；国家自然科学基金（62475188、62175179、62161160335）；天津市自然科学基金（23JCJQJC00250）；中国广东省自然科学基金（2022B1515130002、2023A1515011189）；宁夏回族自治区重点研发计划（2025BEG01003）；香港研究资助局资助计划（N_CUHK423/21）和中国科协青年科技人才培育工程博士生专项计划的资助。

论文信息：

A Hyperuniform Disordered Solid Waveguide for Gas Sensing

Si Chen, Hong Zhang, Jiaqi Wang, Zhiqian Zhang, Zunyue Zhang, Shuqi Xiao, Peize Han, Haiyong Chen, Hon Ki Tsang, Tiegen Liu, Yi Zou*, Zhenzhou Cheng*

Advanced Optical Materials

DOI:10.1002/adom.202503845

原文链接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adom.202503845

期刊简介：

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的期刊，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。