近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的光子芯片實(shí)驗(yàn)室綜述了近年來(lái)硅基波導(dǎo)集成的片上光譜儀的研究成果，論文以“Integrated optical spectrometers on silicon photonics platforms”為題發(fā)表在《Laser & Photonics Reviews》上。

光譜儀是檢測(cè)樣品吸收或發(fā)射光譜的關(guān)鍵器件，在化學(xué)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)和天文學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。傳統(tǒng)的光譜儀通常由體積較大的分光元件組成，如衍射光柵和線掃描探測(cè)陣列等。光譜測(cè)量一般通過(guò)兩種方法進(jìn)行：（1）使用線掃描探測(cè)陣列檢測(cè)靜態(tài)衍射光柵的輸出信號(hào)；（2）通過(guò)機(jī)械旋轉(zhuǎn)衍射光柵進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，并使用單個(gè)光電探測(cè)器檢測(cè)輸出信號(hào)。以上兩種方式或需要昂貴的檢測(cè)模塊，或需要機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，致使設(shè)備體積大、成本高，限制了光譜儀的功能性和靈活性。隨著便攜式光譜儀在戶外等現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求的增長(zhǎng)，基于不同材料體系和器件結(jié)構(gòu)的微型化光譜儀得到了廣泛探索，硅基光子器件因其與CMOS技術(shù)的兼容性和高折射率對(duì)比度，成為開(kāi)發(fā)集成光譜儀的重要平臺(tái)。近年來(lái)，科研工作者們從不同方面提升硅基光譜器件的性能，包括擴(kuò)大光學(xué)帶寬、提高光譜分辨率、改善信噪比（SNR）以及最小化設(shè)備尺寸等。然而，目前聚焦硅基光譜器件性能提升的相關(guān)綜述較少。

在本項(xiàng)工作中，研究者們?nèi)娓攀隽斯杌晒庾V儀性能提升的多個(gè)方面、以及未來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在光譜帶寬的提升方面，基于片上色散型光學(xué)器件的光譜儀具有明顯優(yōu)勢(shì)，如陣列波導(dǎo)光柵（AWG）、中階梯光柵（EG）、光子晶體光譜儀（PhC）、具有角度的多模干涉儀（AMMI）等，論文綜述了各類色散型光譜儀的工作并對(duì)其性能進(jìn)行了對(duì)比。在光譜分辨率的提升方面，濾波型光譜器件具有顯著優(yōu)勢(shì)，其包括級(jí)聯(lián)的微環(huán)諧振器（MRR）、馬赫曾德干涉儀（MZI）、布拉格光柵、法布里-珀羅腔等，論文綜述了各類濾波型光譜儀的工作并詳細(xì)對(duì)比了不同器件的分光能力。在SNR的提升方面，集成傅里葉變換（FT）光譜儀由于具有復(fù)用優(yōu)勢(shì)（Fellgett advantage），能夠在一個(gè)通道中同時(shí)測(cè)量所有波長(zhǎng)的信號(hào)，具有明顯的信噪比優(yōu)勢(shì)，論文綜述了駐波型FT光譜儀、空間外差FT光譜儀、時(shí)域可調(diào)諧FT光譜儀、數(shù)字型FT光譜儀等多種硅基FT光譜儀的分光性能。在器件的緊湊性提升方面，計(jì)算型光譜儀具有突出優(yōu)勢(shì)，可通過(guò)多模波導(dǎo)、隨機(jī)光子晶體結(jié)構(gòu)、隨機(jī)濾波結(jié)構(gòu)、線性相干網(wǎng)絡(luò)等器件在極小的器件尺寸下實(shí)現(xiàn)高分辨率光譜檢測(cè)，并可通過(guò)壓縮感知等算法提升光譜分辨率，成為當(dāng)下的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

圖1.通過(guò)采用多種器件結(jié)構(gòu)從不同方面提升集成光譜儀性能的方法，包括光學(xué)帶寬的擴(kuò)展、光譜分辨率的提高、SNR的改善以及器件尺寸的壓縮。

本文在總結(jié)了硅基集成光譜儀的研究進(jìn)展基礎(chǔ)上，進(jìn)一步展望了硅基光譜器件的發(fā)展趨勢(shì)。首先，隨著算力的提升，基于計(jì)算光譜原理的集成光譜儀的研究重點(diǎn)仍將延續(xù)，然而計(jì)算光譜儀面臨著信噪比不足，靈敏度低等問(wèn)題，是后續(xù)研究的重點(diǎn)。作為計(jì)算光譜儀的另一關(guān)鍵要素，光譜重構(gòu)算法也需在后續(xù)的研究中不斷提升，助力更高的光譜分辨率、更寬的光譜檢測(cè)范圍、更快的光譜重構(gòu)速度。其次，光譜器件與其他集成光學(xué)功能器件的高度集成是提升光子集成光路功能性的關(guān)鍵。此外，不同的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)光譜器件的性能提出了不同的需求，例如在戶外、水下、空間探索等應(yīng)用環(huán)境中，一個(gè)可靠的、具有中等光譜分辨率的光譜儀即可滿足光譜檢測(cè)需求，因此可選擇色散型光譜儀，而在生化分析、材料檢測(cè)等應(yīng)用中，光譜分辨率則更為重要，因此可采用濾波型光譜儀和計(jì)算光譜儀。用戶需要根據(jù)不同需求選擇和設(shè)計(jì)不同類型的硅基光譜儀。最后，開(kāi)發(fā)不同材料平臺(tái)、不同器件結(jié)構(gòu)的集成光譜儀仍然是一個(gè)需要努力的方向，如鈮酸鋰、III-V族等材料，具有優(yōu)異的光電特性，能夠?yàn)樘嵘庾蛹善脚_(tái)的功能性方面發(fā)揮重要作用。

圖2.硅基波導(dǎo)集成的片上光譜儀的性能總結(jié)。三角形、圓形和方形標(biāo)記分別表示器件尺寸在< 0.1 mm2、0.1?10 mm2和> 10 mm2范圍內(nèi)的光譜儀。實(shí)心和空心標(biāo)記分別表示工作在近紅外（NIR: 1000?2000 nm）和可見(jiàn)光（VIS: 400?700 mm）或超近紅外（VNIR: 700?1000 nm）波長(zhǎng)區(qū)域的集成光譜儀。

本論文第一作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的副研究員張尊月博士，通信作者為天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的張尊月副研究員和程振洲教授。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（62175179, 62161160335, 61805175）項(xiàng)目、天津市自然科學(xué)基金（23JCJQJC00250）、廣東省自然科學(xué)基金（2022B1515130002）和日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JP18K13798）的支持。