据麦姆斯咨询报道，中国科学技术大学苏州高等研究院、苏州大学物理科学与技术学院蒋建华教授团队在集成光子生物传感器领域取得重要突破，提出了一种基于拓扑光子晶体边缘态的新型集成光子生物传感器架构。该设计利用拓扑边缘态的鲁棒传输特性，显著提升了生物传感器的集成密度、抗干扰能力和多路复用性能，为新一代便携式、高灵敏生物医学检测技术提供了新思路。相关成果以《Topologically integrated photonic biosensor circuits》为题于2025年1月22日在Laser & Photonics Reviews在线发表。苏州大学与中国科学技术大学为论文共同完成单位，博士生孔泽霖与博士生刘洋为共同第一作者，蒋建华教授为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金、中国科学院“百人计划”等项目的支持。
图1：拓扑集成光子生物传感器电路示意图
光子晶体生物传感器凭借其微型化、高灵敏度和低样本消耗等优势，被视为疾病早期筛查和即时诊断的理想工具。然而，现有的设计主要基于孤立的光子微腔或传统波导结构，仍然面临两大核心挑战：一是制造误差和生物标志物分布随机性易导致传感性能波动；二是在多传感器集成过程中，严重的串扰效应限制了高密度、多路复用检测的实现。近年来，尽管微环谐振器、马赫-曾德尔干涉仪等结构已得到广泛研究，但受限于传统波导的固有特性，其抗干扰能力和集成度仍难以突破。如何构建同时具备高鲁棒性与高集成度的光子生物传感器电路，已成为推动该技术实用化的关键科学问题。
蒋建华研究团队创新性地将拓扑光子学概念引入生物传感器设计，提出了一种“拓扑集成光子生物传感器电路”。其核心是利用光子晶体中受拓扑保护的边缘态作为“光子高速通道”，高效串联多个缺陷腔生物传感器（图2）。拓扑边缘态对远离传感区域的外界扰动（如制造缺陷）具有优异的鲁棒性，而缺陷腔则凭借对折射率变化的敏感响应，实现对生物标志物信号的高效捕获。
图2：拓扑集成传感器（拓扑边缘态连接多个缺陷腔，利用频域多路复用实现并行检测）
关键技术突破：
拓扑边缘态的鲁棒传输：通过构建具有不同Wannier 中心的两类光子晶体界面，可以实现跨越整个光子带隙的拓扑边缘态。该边缘态在界面缺陷或弯曲结构的影响下仍能保持稳定传输。数值模拟结果表明，相较于传统波导连接的传感器在受到随机扰动时性能大幅下降，基于拓扑设计的传感器在复杂环境下仍能保持高度稳定的检测能力，展现出其相较于现有方案的显著优势（图3）。
图3：（a）两类光子晶体之间的分界面示意图；(b)拓扑边界态的仿真结果；(c)生物传感器在制造缺陷下的性能对比，传统波导传感器（右）性能易受缺陷影响，拓扑设计保持稳定（左）。
多传感器低串扰集成：当多个具有不同共振频率的缺陷腔通过同一拓扑边缘通道串联时，其传输谱中各传感器的共振峰依然保持清晰可分，且串扰效应可忽略不计。这一特性为实现高集成度的传感器互联提供了坚实的理论基础（图4）。
图4：在多个传感器串联配置下单个传感器的透射谱特性
本研究首次将拓扑光子学与生物传感技术深度融合，为解决光子传感器集成难题提供了全新范式。拓扑边缘态的鲁棒性不仅显著提升了器件的稳定性和可靠性，还支持在单芯片上高效集成多个传感单元，从而大幅提升检测通量。未来，通过优化缺陷腔设计并引入并行拓扑通道，有望构建高密度传感器阵列，实现对复杂疾病的多标志物同步筛查。此外，该架构还可拓展至化学分子检测、环境监测等领域，为微型化实验室芯片（Lab-on-a-Chip）的发展提供新的技术支撑。
文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202401209
