【光学前沿】定制化多带硅基片上光谱仪的创新与应用

光谱仪作为一种广泛应用于科学探测的仪器，在药物分析、气体传感及航空航天等多个领域扮演着关键角色。随着硅光集成技术的进步，低成本、便携式的片上光谱仪已成为现实。然而，实现超大光谱范围与超高分辨率的结合，常伴随着系统复杂性、尺寸、功耗及效率等方面的挑战。

近期，浙江大学戴道锌教授团队在小型化片上硅基光谱仪的研究中取得了显著进展。他们提出了一种定制化多带硅基片上光谱仪，利用光子集成回路的灵活设计，通过选择特定的光谱子带，精简了不必要的谱段，实现了光谱子带数量、中心波长、带宽及分辨率等性能指标的定制化。这一创新不仅显著减小了芯片尺寸，提高了加工良品率，还降低了校准复杂度和测量速度。相关研究成果已发表于2024年第5期，并被选为封面文章。

该定制化光谱仪的工作原理如图1所示，采用宽带滤波与窄带精细滤波相结合的方案。待测光谱首先通过宽带滤波器进行预滤波，随后被分割为多个待测通道子带，传输至微环滤波器进行精密滤波，并通过加热调谐实现单通道的完整扫描，最终构建出整个待测光谱。

图2展示了该光谱仪采用的光滤波器结构，其中宽带滤波器采用多模布拉格光栅设计，窄带滤波器则采用高Q值弯曲耦合微环谐振器，确保了高光谱分辨率。

图3展示了绝热双芯模式解复用器及宽/窄带滤波器在不同波段的光谱响应。仿真结果显示，模式复用器的附加损耗和串扰均控制在极低水平，多模布拉格光栅宽带滤波器的边模抑制比大于20 dB，高Q值微环窄带滤波器的3 dB带宽分别为0.1 nm、0.1 nm和0.35 nm，为高光谱分辨率提供了坚实基础。

图4和图5分别展示了研制的光谱芯片和不同输入光谱的测量结果。结果显示，该片上光谱仪与商用光谱仪在分辨率上具有高度一致性，且在双峰测量中表现出优于0.08 nm的分辨率。此外，该光谱仪在1307-1935 nm的超大光谱范围内展现了出色的多谱段光谱测量能力。

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