▍本文由論文作者團隊（課題組）投稿

▍導讀

來自光引科技和英國劍橋大學的團隊提出并實現(xiàn)了一種基于可重構(gòu)光子技術(shù)的片上集成光譜儀方案，實現(xiàn)了皮米級的超高分辨率和百納米級的工作帶寬。此外，該方案展現(xiàn)了出色的探測靈敏度、可拓展性、可編程性以及熱穩(wěn)定性。此突破性成果為高性能光譜儀的小型化和實用化開辟了全新的可量產(chǎn)技術(shù)路徑。當前，光引科技已完成應(yīng)用于可穿戴產(chǎn)品的模塊化封裝，從而實現(xiàn)生理健康、運動監(jiān)測等廣泛的光譜學應(yīng)用。

該文章發(fā)表在期刊Light: Science & Applications，題為“Broadband picometer-scale resolution on-chip spectrometer with reconfigurable photonics”， Chunhui Yao為本文的第一作者，Qixiang Cheng為本文的通訊作者。

▍正文

光譜儀在化學分析、生物傳感和材料表征等眾多領(lǐng)域扮演著重要角色。近年來，隨著移動物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，市場對小體積、低成本、高性能光譜分析器件的需求日益增長，例如，基于可穿戴設(shè)備中的健康監(jiān)測、基于手持式設(shè)備的食品安全監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)測，以及基于無人機的遙感成像等等。然而，傳統(tǒng)的臺式光譜儀通常由龐大而昂貴的色散元件構(gòu)建，無法滿足現(xiàn)代社會對實時、便捷和精確光譜分析的迫切需求。盡管學界與業(yè)界一直致力于開發(fā)微型光譜儀，但尺寸縮小往往導致分辨率、帶寬和信噪比等方面的性能損失。近年來，基于光譜時、空間編碼和數(shù)值重構(gòu)算法的計算式光譜儀得到了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，但當前已報道的技術(shù)方案均無法克服采樣通道數(shù)有限或是采樣通道之間相干度過高等技術(shù)問題。

為了突破上述技術(shù)瓶頸，本文團隊將可重構(gòu)光子芯片的理念引入到光譜采樣整形中，利用可重構(gòu)光子網(wǎng)絡(luò)和分布式寬譜濾波技術(shù)，突破了芯片級光譜儀的尺寸限制，實現(xiàn)了皮米級超高分辨率。圖1展示了所提出器件的概念示意圖，其中，可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點均部署了具備不同濾波特性的寬譜濾波元件，從而為不同的傳輸通道賦予近乎隨機的濾波采樣響應(yīng)。

圖1：器件結(jié)構(gòu)示意圖

通過巧妙設(shè)計每個分布式濾波元件的光譜特性，所產(chǎn)生的準隨機響應(yīng)具有小自相關(guān)性和互相關(guān)性的特點，因此能夠高效地提取整個光譜的信息。同時，得益于可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的可拓展性，可以輕易實現(xiàn)采樣通道的指數(shù)倍增。圖2展示了該工作實現(xiàn)的基于氮化硅平臺集成的7級可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的片上光譜儀，以及所產(chǎn)生的256個采樣通道的近隨機光譜響應(yīng)。

圖2：（a）實驗所用光譜儀芯片的顯微鏡圖（b）所測得通道傳輸響應(yīng)及用作示例的若干通道（c-d）通道響應(yīng)的自相關(guān)系數(shù)和互相關(guān)系數(shù)

實驗展示了此器件超過115納米的工作帶寬和小于30皮米超高分辨率。圖3分別展示了其探測單峰、雙峰窄帶激光信號和寬帶ASE光譜信號的測量結(jié)果，體現(xiàn)了較高的還原準確性。進一步仿真結(jié)果顯示通過優(yōu)化重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的采樣通道數(shù)，器件可以實現(xiàn)個位皮米數(shù)的分辨率，達到甚至超過諸多臺式光譜儀的性能標準。

圖3：（a）多個窄帶激光信號的重建結(jié)果（b）不同間距的雙峰激光信號的重建結(jié)果（c）不同寬帶信號：SOA的ASE自發(fā)譜（左）和EDFA的ASE自發(fā)譜（右）的重建結(jié)果

此外，得益于可重構(gòu)光子網(wǎng)絡(luò)的低插入損耗和氮化硅平臺的低熱敏感度，結(jié)合可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的簡易控制性，使該器件具有極強的實用性和普適性。

▍展望

本文所展示的超高性能片上光譜儀應(yīng)用場景廣泛，有望為光譜分析和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域帶來更多創(chuàng)新解決方案，包括生物醫(yī)學傳感、工業(yè)化學監(jiān)測和微型光學成像系統(tǒng)等。當前，光引科技已完成微型光譜傳感模塊的原型開發(fā)，如圖4所示，原型產(chǎn)品將光譜儀芯片結(jié)合人工智能分析算法，有望迅速實現(xiàn)在運動健康監(jiān)測領(lǐng)域的重大商業(yè)化突破。

圖4 光引科技可穿戴光譜傳感原型機實物圖

| 論文信息 |

Yao, C., Chen, M., Yan, T. et al. Broadband picometer-scale resolution on-chip spectrometer with reconfigurable photonics. Light Sci Appl 12, 156 (2023).

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01195-2

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