硅基波导集成的片上光谱仪综述

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的光子芯片实验室综述了近年来硅基波导集成的片上光谱仪的研究成果，论文以“Integrated optical spectrometers on silicon photonics platforms”为题发表在《Laser & Photonics Reviews》上。

光谱仪是检测样品吸收或发射光谱的关键器件，在化学分析、环境监测和天文学等多个领域中发挥着重要作用。传统的光谱仪通常由体积较大的分光元件组成，如衍射光栅和线扫描探测阵列等。光谱测量一般通过两种方法进行：（1）使用线扫描探测阵列检测静态衍射光栅的输出信号；（2）通过机械旋转衍射光栅进行波长扫描，并使用单个光电探测器检测输出信号。以上两种方式或需要昂贵的检测模块，或需要机械运动部件，致使设备体积大、成本高，限制了光谱仪的功能性和灵活性。随着便携式光谱仪在户外等现场应用需求的增长，基于不同材料体系和器件结构的微型化光谱仪得到了广泛探索，硅基光子器件因其与CMOS技术的兼容性和高折射率对比度，成为开发集成光谱仪的重要平台。近年来，科研工作者们从不同方面提升硅基光谱器件的性能，包括扩大光学带宽、提高光谱分辨率、改善信噪比（SNR）以及最小化设备尺寸等。然而，目前聚焦硅基光谱器件性能提升的相关综述较少。

在本项工作中，研究者们全面概述了硅基集成光谱仪性能提升的多个方面、以及未来的机遇和挑战。在光谱带宽的提升方面，基于片上色散型光学器件的光谱仪具有明显优势，如阵列波导光栅（AWG）、中阶梯光栅（EG）、光子晶体光谱仪（PhC）、具有角度的多模干涉仪（AMMI）等，论文综述了各类色散型光谱仪的工作并对其性能进行了对比。在光谱分辨率的提升方面，滤波型光谱器件具有显著优势，其包括级联的微环谐振器（MRR）、马赫曾德干涉仪（MZI）、布拉格光栅、法布里-珀罗腔等，论文综述了各类滤波型光谱仪的工作并详细对比了不同器件的分光能力。在SNR的提升方面，集成傅里叶变换（FT）光谱仪由于具有复用优势（Fellgett advantage），能够在一个通道中同时测量所有波长的信号，具有明显的信噪比优势，论文综述了驻波型FT光谱仪、空间外差FT光谱仪、时域可调谐FT光谱仪、数字型FT光谱仪等多种硅基FT光谱仪的分光性能。在器件的紧凑性提升方面，计算型光谱仪具有突出优势，可通过多模波导、随机光子晶体结构、随机滤波结构、线性相干网络等器件在极小的器件尺寸下实现高分辨率光谱检测，并可通过压缩感知等算法提升光谱分辨率，成为当下的一个研究热点。

图1.通过采用多种器件结构从不同方面提升集成光谱仪性能的方法，包括光学带宽的扩展、光谱分辨率的提高、SNR的改善以及器件尺寸的压缩。

本文在总结了硅基集成光谱仪的研究进展基础上，进一步展望了硅基光谱器件的发展趋势。首先，随着算力的提升，基于计算光谱原理的集成光谱仪的研究重点仍将延续，然而计算光谱仪面临着信噪比不足，灵敏度低等问题，是后续研究的重点。作为计算光谱仪的另一关键要素，光谱重构算法也需在后续的研究中不断提升，助力更高的光谱分辨率、更宽的光谱检测范围、更快的光谱重构速度。其次，光谱器件与其他集成光学功能器件的高度集成是提升光子集成光路功能性的关键。此外，不同的应用场景对光谱器件的性能提出了不同的需求，例如在户外、水下、空间探索等应用环境中，一个可靠的、具有中等光谱分辨率的光谱仪即可满足光谱检测需求，因此可选择色散型光谱仪，而在生化分析、材料检测等应用中，光谱分辨率则更为重要，因此可采用滤波型光谱仪和计算光谱仪。用户需要根据不同需求选择和设计不同类型的硅基光谱仪。最后，开发不同材料平台、不同器件结构的集成光谱仪仍然是一个需要努力的方向，如铌酸锂、III-V族等材料，具有优异的光电特性，能够为提升光子集成平台的功能性方面发挥重要作用。

图2.硅基波导集成的片上光谱仪的性能总结。三角形、圆形和方形标记分别表示器件尺寸在< 0.1 mm2、0.1−10 mm2和> 10 mm2范围内的光谱仪。实心和空心标记分别表示工作在近红外（NIR: 1000−2000 nm）和可见光（VIS: 400−700 mm）或超近红外（VNIR: 700−1000 nm）波长区域的集成光谱仪。

本论文第一作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的副研究员张尊月博士，通信作者为天津大学精密仪器与光电子工程学院的张尊月副研究员和程振洲教授。该工作得到了国家自然科学基金（62175179, 62161160335, 61805175）项目、天津市自然科学基金（23JCJQJC00250）、广东省自然科学基金（2022B1515130002）和日本学术振兴会（JP18K13798）的支持。