利用可重構(gòu)光子學(xué)實(shí)現(xiàn)寬帶皮米級分辨率片上光譜儀

光譜儀是化學(xué)及生物傳感、材料表征以及天文科學(xué)領(lǐng)域最重要的工具之一。傳統(tǒng)的臺式光譜儀通常采用笨重的色散組件構(gòu)建，使其無法滿足快速增長的緊湊、低成本光譜分析需求，例如，用于醫(yī)療保健監(jiān)測的可穿戴設(shè)備、基于智能手機(jī)或無人機(jī)的遙感以及太空探索等。

數(shù)十年來，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在積極開發(fā)微型光譜儀。盡管如此，光譜儀的尺寸縮小仍不可避免地需要在分辨率、帶寬、信噪比等方面進(jìn)行權(quán)衡。迄今為止，還沒有真正能夠打破技術(shù)瓶頸的微型化光譜儀驗(yàn)證，使其同時實(shí)現(xiàn)超高分辨率（低至皮米級）和寬帶寬（>100?nm）。

然而，這些正是許多生物醫(yī)學(xué)傳感、工業(yè)化學(xué)監(jiān)測應(yīng)用分析光譜工具以及小型化光學(xué)成像系統(tǒng)的基本要求，例如，要求大成像深度和高空間分辨率的譜域光學(xué)相干斷層掃描（SD-OCT）。

解復(fù)用和檢測光譜儀通常需要將入射光光譜分解為空間或時間檢測信道的色散元件或窄帶濾波器。這在頻譜分量和信道功率之間創(chuàng)建了線性映射。因此，信道數(shù)定義了帶寬分辨率比，該比值受限于每個信道的最小檢測功率或可接受的器件復(fù)雜性/占位面積。

利用壓縮采樣，重建光譜儀（RS）成為高效光譜采集的新范式。利用以不同光譜響應(yīng)編碼的有限數(shù)量的采樣信道，RS可以用聚合光功率對整個入射光譜進(jìn)行采樣，并解析更大數(shù)量的光譜像素，不過，這需要更復(fù)雜的光譜到空間映射。

這種欠定系統(tǒng)的特性應(yīng)該最有利于片上光譜儀的開發(fā)，因?yàn)樗枰馁Y源最少。然而，RS仍然需要大量高度不相關(guān)的寬帶采樣信道，以達(dá)到超高的帶寬分辨率比。圖1a展示了已有報道的基于無源光譜濾波器的小型化RS的通用示意圖，例如，通過無序散射介質(zhì)、超構(gòu)表面、光子晶體或基于量子點(diǎn)的濾波器陣列。雖然它們代表了超緊湊RS的最簡潔形式，但由于無源分束損耗，信道數(shù)量可能會受到限制。

最近有研究還開發(fā)了具有可調(diào)諧光譜響應(yīng)的有源RS，例如，具有可調(diào)諧吸收光譜的僅檢測器RS，具有MEMS或熱可調(diào)諧諧振器的基于濾波器的RS，如圖1b所示。然而，根據(jù)壓縮感知理論，迄今為止報道的通過使用集總結(jié)構(gòu)生成采樣信道的方法表現(xiàn)出有限的去相關(guān)性，限制了超高帶寬分辨率比的實(shí)現(xiàn)。

圖1 可重構(gòu)光譜儀概念。a）基于無源光譜濾波器的小型化RS的通用示意圖。b）采用集總結(jié)構(gòu)的具有可調(diào)諧頻譜響應(yīng)的有源RS設(shè)計示意圖，采樣信道之間不可避免的具有高互相關(guān)性。這里示出了MEMS可調(diào)諧RS作為示例。c）本研究提出的可重構(gòu)RS概念圖?；诳汕袚Q元件的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用于通過不同光路主動路由入射信號，而不會引起任何分束損耗。寬帶頻譜濾波器分布在每個可切換元件之后，以為每個信道生成高度不相關(guān)的頻譜響應(yīng)。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，英國劍橋大學(xué)工程學(xué)系電氣工程部光子系統(tǒng)中心的研究人員通過引入一種采用分布式濾波器生成超寬帶偽隨機(jī)光譜響應(yīng)的新穎方法，向在光子集成芯片上實(shí)現(xiàn)超寬帶皮米級分辨率光譜儀邁出了重要一步。該方案得到的采樣信道高度不相關(guān)，從而允許計算重建。該研究成果已經(jīng)以“Broadband picometer-scale resolution on-chip spectrometer with reconfigurable photonics”為題發(fā)表于Light: Science & Applications期刊。

研究人員將分布式濾波器嵌入芯片上的可重構(gòu)光子網(wǎng)絡(luò)中，如圖1c所示，從而在不犧牲采樣信道之間去相關(guān)性的情況下，實(shí)現(xiàn)了采樣信道數(shù)量上的卓越可擴(kuò)展性。通過正確設(shè)計每個分布式濾波器的頻譜特性，一系列重疊的傳輸頻譜可以形成具有較小自相關(guān)性和互相關(guān)性的采樣矩陣，以在整個頻譜上有效地獲取信息。

制造的光譜儀及其封裝

可重構(gòu)光子電路已經(jīng)在很多新興領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如光學(xué)和量子計算、光開關(guān)和信號處理以及由絕緣體上硅（SOI）平臺實(shí)現(xiàn)的光網(wǎng)絡(luò)等。在這種可重構(gòu)光子網(wǎng)絡(luò)中嵌入濾波器可以實(shí)現(xiàn)頻譜整形。雖然該設(shè)計可以很容易地通過納米光子硅電路實(shí)現(xiàn)，但研究人員選擇采用CMOS兼容的氮化硅（SiN）平臺，因?yàn)檫@種平臺具有卓越的熱魯棒性。當(dāng)光譜儀降至皮米級分辨率時，溫度變化會限制重建精度。

微環(huán)已被提出用于形成單個諧振器光譜儀，利用其添加-刪除濾波形成可調(diào)諧的本地采樣器。研究人員在設(shè)計中采用了一種級聯(lián)全通微環(huán)諧振器（MRR）對整個輸入頻譜進(jìn)行有效采樣的策略。這些全通微環(huán)濾波器在過耦合區(qū)域工作，具有有限的消光比，從而最大限度地減少了采樣損耗。其全局采樣能力大大降低了對采樣時間的要求。

采用可重構(gòu)光子學(xué)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)用戶定義的性能，提供額外的可編程性，具體取決于分辨率、計算復(fù)雜性和相對誤差之間的權(quán)衡。這可以拓寬其應(yīng)用范圍，涵蓋的用例包括以可接受的性能水平識別特征光譜峰值，以及具有超高分辨率和低誤差的相對計量。

利用可創(chuàng)建多達(dá)256個可重構(gòu)狀態(tài)的互連Mach-Zehnder干涉儀（MZI）適度網(wǎng)格，研究人員展示了一種具有超高分辨率（<30?pm）和超寬帶（>115?nm）的片上光譜儀，據(jù)悉，這實(shí)現(xiàn)了迄今為止有報道的最高RS帶寬分辨率比。通過實(shí)驗(yàn)擬合的數(shù)據(jù)和等效水平的測量誤差，進(jìn)一步表明這種方法可以輕松實(shí)現(xiàn)個位數(shù)皮米級的分辨率。

盡管研究人員采用了在檢測時聚合噪聲的全局采樣策略，但還是成功解析了僅有2?dB光信噪比（OSNR）的窄帶激光信號。并進(jìn)一步證明，得益于SiN平臺，該器件具有±2.0?°C的優(yōu)異熱穩(wěn)定性，這為片上光譜儀的成功開發(fā)開辟了一條清晰的道路，其精度能夠匹敵甚至超越臺式光譜儀產(chǎn)品。

審核編輯：劉清