▍本文由論文作者團(tuán)隊(duì)（課題組）投稿

來(lái)自光引科技和英國(guó)劍橋大學(xué)的團(tuán)隊(duì)提出并實(shí)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(shí)現(xiàn)了皮米級(jí)的超高分辨率和百納米級(jí)的工作帶寬。此外，該方案展現(xiàn)了出色的探測(cè)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(shí)用化開(kāi)辟了全新的可量產(chǎn)技術(shù)路徑。當(dāng)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(shí)現(xiàn)生理健康、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等廣泛的光譜學(xué)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(xué)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(lái)，隨著移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)小體積、低成本、高性能光譜分析器件的需求日益增長(zhǎng)，例如，基于可穿戴設(shè)備中的健康監(jiān)測(cè)、基于手持式設(shè)備的食品安全監(jiān)測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及基于無(wú)人機(jī)的遙感成像等等。然而，傳統(tǒng)的臺(tái)式光譜儀通常由龐大而昂貴的色散元件構(gòu)建，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)實(shí)時(shí)、便捷和精確光譜分析的迫切需求。盡管學(xué)界與業(yè)界一直致力于開(kāi)發(fā)微型光譜儀，但尺寸縮小往往導(dǎo)致分辨率、帶寬和信噪比等方面的性能損失。近年來(lái)，基于光譜時(shí)、空間編碼和數(shù)值重構(gòu)算法的計(jì)算式光譜儀得到了行業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，但當(dāng)前已報(bào)道的技術(shù)方案均無(wú)法克服采樣通道數(shù)有限或是采樣通道之間相干度過(guò)高等技術(shù)問(wèn)題。

為了突破上述技術(shù)瓶頸，本文團(tuán)隊(duì)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(jí)光譜儀的尺寸限制，實(shí)現(xiàn)了皮米級(jí)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(jī)的濾波采樣響應(yīng)。

圖1：器件結(jié)構(gòu)示意圖

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

圖2：（a）實(shí)驗(yàn)所用光譜儀芯片的顯微鏡圖（b）所測(cè)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(shí)驗(yàn)展示了此器件超過(guò)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(cè)單峰、雙峰窄帶激光信號(hào)和寬帶ASE光譜信號(hào)的測(cè)量結(jié)果，體現(xiàn)了較高的還原準(zhǔn)確性。進(jìn)一步仿真結(jié)果顯示通過(guò)優(yōu)化重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的采樣通道數(shù)，器件可以實(shí)現(xiàn)個(gè)位皮米數(shù)的分辨率，達(dá)到甚至超過(guò)諸多臺(tái)式光譜儀的性能標(biāo)準(zhǔn)。

圖3：（a）多個(gè)窄帶激光信號(hào)的重建結(jié)果（b）不同間距的雙峰激光信號(hào)的重建結(jié)果（c）不同寬帶信號(hào)：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(tái)的低熱敏感度，結(jié)合可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)易控制性，使該器件具有極強(qiáng)的實(shí)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(chǎng)景廣泛，有望為光譜分析和相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)更多創(chuàng)新解決方案，包括生物醫(yī)學(xué)傳感、工業(yè)化學(xué)監(jiān)測(cè)和微型光學(xué)成像系統(tǒng)等。當(dāng)前，光引科技已完成微型光譜傳感模塊的原型開(kāi)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(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)健康監(jiān)測(cè)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(jī)實(shí)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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