利用可重构光子学实现宽带皮米级分辨率片上光谱仪

光谱仪是化学及生物传感、材料表征以及天文科学领域最重要的工具之一。传统的台式光谱仪通常采用笨重的色散组件构建，使其无法满足快速增长的紧凑、低成本光谱分析需求，例如，用于医疗保健监测的可穿戴设备、基于智能手机或无人机的遥感以及太空探索等。

数十年来，学术界和工业界都在积极开发微型光谱仪。尽管如此，光谱仪的尺寸缩小仍不可避免地需要在分辨率、带宽、信噪比等方面进行权衡。迄今为止，还没有真正能够打破技术瓶颈的微型化光谱仪验证，使其同时实现超高分辨率（低至皮米级）和宽带宽（>100 nm）。

然而，这些正是许多生物医学传感、工业化学监测应用分析光谱工具以及小型化光学成像系统的基本要求，例如，要求大成像深度和高空间分辨率的谱域光学相干断层扫描（SD-OCT）。

解复用和检测光谱仪通常需要将入射光光谱分解为空间或时间检测信道的色散元件或窄带滤波器。这在频谱分量和信道功率之间创建了线性映射。因此，信道数定义了带宽分辨率比，该比值受限于每个信道的最小检测功率或可接受的器件复杂性/占位面积。

利用压缩采样，重建光谱仪（RS）成为高效光谱采集的新范式。利用以不同光谱响应编码的有限数量的采样信道，RS可以用聚合光功率对整个入射光谱进行采样，并解析更大数量的光谱像素，不过，这需要更复杂的光谱到空间映射。

这种欠定系统的特性应该最有利于片上光谱仪的开发，因为所需要的资源最少。然而，RS仍然需要大量高度不相关的宽带采样信道，以达到超高的带宽分辨率比。图1a展示了已有报道的基于无源光谱滤波器的小型化RS的通用示意图，例如，通过无序散射介质、超构表面、光子晶体或基于量子点的滤波器阵列。虽然它们代表了超紧凑RS的最简洁形式，但由于无源分束损耗，信道数量可能会受到限制。

最近有研究还开发了具有可调谐光谱响应的有源RS，例如，具有可调谐吸收光谱的仅检测器RS，具有MEMS或热可调谐谐振器的基于滤波器的RS，如图1b所示。然而，根据压缩感知理论，迄今为止报道的通过使用集总结构生成采样信道的方法表现出有限的去相关性，限制了超高带宽分辨率比的实现。

图1 可重构光谱仪概念。a）基于无源光谱滤波器的小型化RS的通用示意图。b）采用集总结构的具有可调谐频谱响应的有源RS设计示意图，采样信道之间不可避免的具有高互相关性。这里示出了MEMS可调谐RS作为示例。c）本研究提出的可重构RS概念图。基于可切换元件的可重构网络用于通过不同光路主动路由入射信号，而不会引起任何分束损耗。宽带频谱滤波器分布在每个可切换元件之后，以为每个信道生成高度不相关的频谱响应。

据麦姆斯咨询介绍，英国剑桥大学工程学系电气工程部光子系统中心的研究人员通过引入一种采用分布式滤波器生成超宽带伪随机光谱响应的新颖方法，向在光子集成芯片上实现超宽带皮米级分辨率光谱仪迈出了重要一步。该方案得到的采样信道高度不相关，从而允许计算重建。该研究成果已经以“Broadband picometer-scale resolution on-chip spectrometer with reconfigurable photonics”为题发表于Light: Science & Applications期刊。

研究人员将分布式滤波器嵌入芯片上的可重构光子网络中，如图1c所示，从而在不牺牲采样信道之间去相关性的情况下，实现了采样信道数量上的卓越可扩展性。通过正确设计每个分布式滤波器的频谱特性，一系列重叠的传输频谱可以形成具有较小自相关性和互相关性的采样矩阵，以在整个频谱上有效地获取信息。

制造的光谱仪及其封装

可重构光子电路已经在很多新兴领域得到应用，例如光学和量子计算、光开关和信号处理以及由绝缘体上硅（SOI）平台实现的光网络等。在这种可重构光子网络中嵌入滤波器可以实现频谱整形。虽然该设计可以很容易地通过纳米光子硅电路实现，但研究人员选择采用CMOS兼容的氮化硅（SiN）平台，因为这种平台具有卓越的热鲁棒性。当光谱仪降至皮米级分辨率时，温度变化会限制重建精度。

微环已被提出用于形成单个谐振器光谱仪，利用其添加-删除滤波形成可调谐的本地采样器。研究人员在设计中采用了一种级联全通微环谐振器（MRR）对整个输入频谱进行有效采样的策略。这些全通微环滤波器在过耦合区域工作，具有有限的消光比，从而最大限度地减少了采样损耗。其全局采样能力大大降低了对采样时间的要求。

采用可重构光子学技术，可以实现用户定义的性能，提供额外的可编程性，具体取决于分辨率、计算复杂性和相对误差之间的权衡。这可以拓宽其应用范围，涵盖的用例包括以可接受的性能水平识别特征光谱峰值，以及具有超高分辨率和低误差的相对计量。

利用可创建多达256个可重构状态的互连Mach-Zehnder干涉仪（MZI）适度网格，研究人员展示了一种具有超高分辨率（<30 pm）和超宽带（>115 nm）的片上光谱仪，据悉，这实现了迄今为止有报道的最高RS带宽分辨率比。通过实验拟合的数据和等效水平的测量误差，进一步表明这种方法可以轻松实现个位数皮米级的分辨率。

尽管研究人员采用了在检测时聚合噪声的全局采样策略，但还是成功解析了仅有2 dB光信噪比（OSNR）的窄带激光信号。并进一步证明，得益于SiN平台，该器件具有±2.0 °C的优异热稳定性，这为片上光谱仪的成功开发开辟了一条清晰的道路，其精度能够匹敌甚至超越台式光谱仪产品。

审核编辑：刘清