综述：基于硅光子技术的计算重建光谱仪研究进展

【蜂耘网 仪器仪表】光谱仪能够直接反映物质的光谱信息，得到检测物质的存在状况与成分，是材料表征、物质分析等领域最重要的测试仪器之一。随着光谱分析技术在众多领域的广泛应用，传统光谱仪的局限性日益凸显，特别是在小型化、集成化及低成本方面的需求日益增长。近年来，计算重建光谱仪因其具有体积小、硬件成本低等优点受到广泛关注。硅光子技术凭借其成熟的制造工艺、高集成度和良好的性能，为实现微型化低成本的芯片级计算重建光谱仪提供了新思路。

 

据麦姆斯咨询报道，由长安大学、中国科学院半导体研究所和中国科学院大学组成的科研团队总结了基于硅光子技术的计算重建光谱仪的最新进展，重点介绍了其工作原理、关键器件和光谱重建算法，为推动该技术在更广泛领域的应用提供参考。在此基础上，展示本团队的相关研究成果，以硅光滤波器作为动态采样单元，结合深度学习算法重建入射光谱，显著减小光谱检测器件的面积。最后，展望硅光子计算重建光谱仪的未来发展趋势与应用前景。相关研究内容以“基于硅光子技术的计算重建光谱仪研究进展（特邀）”为题发表在《激光与光电子学进展》期刊上。

 

计算重建光谱仪的原理

 

计算重建光谱仪的基本原理是对入射光进行采样，利用少量的测量数据，通过计算方法重建出完整的光谱信息，其典型的工作过程如图1所示。首先，入射光通过一个采样单元（如多模光纤、随机介质、滤波器阵列等）进行空间或时间上的采样（也可视为编码），采样后的光信号通过透镜或波导到达光电探测器。探测器可以是单个光电探测器或少量的探测器阵列，用于转换采样后的光信号。接下来，通过计算机或专用信号处理电路对转换得到的测量数据进行处理和光谱重建，得到入射光的完整光谱信息。重建过程通常采用压缩感知、深度学习等算法，从少量的测量数据中恢复出高维度的光谱信息。

 

 

图1 计算重建光谱仪工作过程示意图

 

硅光子计算重建光谱仪的核心器件是硅基光波导器件，可采用不同类型的光波导器件完成对入射光的采样。按照器件结构的差异可将硅光子计算重建光谱仪分为多模波导、无序散射介质、波导滤波器等3类。其中，多模波导的采样原理与多模光纤类似，多模波导支持多个传输模式，每个模式有不同的传播常数，在输出端通过干涉形成波长相关的光强度分布。无序散射介质则是在一个平板波导区域内随机刻蚀圆孔，形成随机分布的散射单元。当光波通过无序介质后得到波长相关的光强分布。波导滤波器类型则基于常规的波导型滤波单元构成采样单元，如马赫-曾德尔干涉仪（MZI）、微环谐振腔（MRR）等。每个滤波器就是一个采样通道，通过滤波器阵列或可调滤波器的输出得到波长相关的光强分布。下文分别介绍这3种类型的硅光子计算重建光谱仪的发展现状。

 

硅光子计算重建光谱仪研究进展

 

多模波导型的硅光子计算光谱仪与多模光纤型类似，以多模波导作为核心器件，基于各模式不同的传播常数，实现对入射光的空间采样。利用硅光子平台的工艺优势，制备了强耦合螺旋多模波导结构，如图2（a）所示。Piels等人在多模硅光波导前引入MZI光开关阵列，可以在多模波导中激发不同的模式组合，进而增加采样通道数量，以提高计算光谱仪的光学带宽，如图2（b）所示。

 

 

图2 基于多模波导的硅光子计算重建光谱仪

 

Yi等人设计了一种基于硅基多模波导的计算光谱仪，通过非对称定向耦合器将4种模式精准地引入到多模波导，每种模式通过独立的调制器进行控制，允许对各模式进行单独操作，如图3（a）所示。Yi等人在前述工作基础上，将用于控制引入模式的4个微环调制器改为6个MZI光开关组成的阵列，通过6个片上集成的光电探测器对多模波导的输出模场进行空间采样，如图3（b）所示。Tsang团队这两项研究工作，依托硅光子平台成功实现了功能完备的芯片级计算重建光谱仪，充分展示了硅光子技术在推动计算重建光谱仪向微型化和高度集成化发展方面的显著优势。

 

 

图3 Tsang团队所设计的计算重建光谱仪

 

无序散射介质的设计是在一个平板波导区域内随机刻蚀圆孔，形成随机分布的散射单元。这种无序散射介质通过在波导内引入随机性，打破了光波的传播路径。当光波通过无序的散射介质时，由于散射单元的随机分布，光波在传播过程中会经历多次散射，导致其路径变得复杂和不可预测。最终，经过无序介质后，得到的是与波长相关的光强分布。这种波长相关的散射光强分布具有独特的光谱特性，可以用于高灵敏度的光谱分析。通过对输出光强分布的测量和分析，可以恢复输入光的光谱信息。

 

Redding等人利用无序结构中的多次散射现象，设计了一种基于硅光子技术的芯片级计算光谱仪。该芯片的核心是一个无序的二维散射结构，由一个半圆形平板波导和随机分布的空气孔组成。入射光通过硅波导进入散射结构，在其中发生多次散射并扩散，形成与波长相关的散斑图案，如图4所示。Hartmann等人基于氮化硅平台设计了基于定制的无序散射结构的硅光子计算重建光谱仪。利用基于3D聚合物的光纤到芯片耦合技术，实现了宽带光耦合。基于截断奇异值分解和非线性优化算法，在红外到可见光波段范围内可实现高分辨率光谱重建（1530~1570 nm、950~965 nm和765~780 nm的区间，分辨率分别为3 nm、1 nm、0.3 nm），如图5所示。

 

图4 基于无序散射介质的计算重建光谱仪

 

图5 基于氮化硅平台的具有无序散射结构的计算重建光谱仪

 

在硅光子计算重建光谱仪的研究和开发中，波导滤波器扮演着至关重要的角色，它们基于精心设计的波导型滤波单元来构建采样单元。得益于成熟且稳定的硅光子技术平台，近年来该领域涌现出大量创新性研究成果。

 

Li等人于2021年提出一种基于硅光子平台的超紧凑重建光谱仪，该光谱仪利用分层波导滤波器（SWF）技术实现了对入射光谱信号的高效率重建。如图6所示，芯片中包含32个SWF，每个SWF具有独特的传输光谱，可在单次测量中完成对入射光的空间采样，采样通道数为32。同样在2021年，Zhang等人基于氮化硅平台设计了一种高分辨率集成计算重建光谱仪。该光谱仪由相互耦合的MZI和不同半径的MRR组成的线性相干网络构成，如图7所示。2022年，Zheng等人提出一种基于深度学习的超紧凑集成模式分割解复用光谱仪。该光谱仪采用分支波导结构和石墨烯基光电探测器，同时实现光信号空间采样和光场检测，如图8所示。

 

图6 基于硅基分层波导滤波器的计算重建光谱仪

 

图7 基于线性相干网络的计算重建光谱仪

 

图8 基于深度学习的模分解复用光谱仪

 

到了2023年，国际顶级期刊中涌现出多篇硅光子计算重建光谱仪相关的文献，Xu等人提出一种基于色散工程光子分子的光谱仪设计，该光谱仪能够在100 nm带宽内实现小于40 pm的高分辨率，远超传统光谱仪的性能，如图9所示。Yao等人基于硅光子可重构网络，设计了一种皮米级分辨率硅光子计算重建光谱仪，如图10所示。Yao等人在前述工作基础上，提出了一种基于硅光子可编程回路的计算重建光谱仪，如图11所示。Li等人于2023年提出一种新型集成单次测量计算重建光谱仪，如图12所示。

 

图9 基于光子分子的计算重建光谱仪

 

图10 基于光子分子的计算重建光谱仪

 

图11 基于硅光子可编程回路的计算重建光谱仪

 

图12 基于多点自耦合波导滤波器阵列的计算重建光谱仪

 

基于硅光子滤波器领域的研究积累，本团队设计了一种基于可编程硅光子滤波器的硅光子计算重建光谱仪。利用并联级联的MRR构成可编程硅光子滤波器，通过控制MRR的相位来实现对入射光的采样，如图13所示。

 

图13 基于可编程硅光子滤波器的硅光子计算重建光谱仪

 

总结与展望

 

基于硅光子技术的计算重建光谱仪作为一种新兴的光谱分析技术，展现了其在高集成度、低成本、高性能方面的巨大潜力。随着相关领域研究的深入，该技术有望在未来实现更广泛的应用和突破。

 

一方面，硅光子平台提供了丰富的光子器件和高度集成的制造工艺，使得计算重建光谱仪能够实现更高的集成度和更小的体积。另一方面，当前的研究成果已经展示了基于硅光子技术的计算重建光谱仪在分辨率和光谱检测带宽方面的显著优势。此外，随着新材料技术的发展，基于硅光子技术的光谱仪将迎来更多创新的可能性。例如，二维材料、拓扑光子学等新材料的引入将丰富光谱仪的功能和性能，进而拓展芯片级的计算重建光谱仪应用领域。除了在物理、化学、生物等传统领域的应用外，光谱仪还将在环境监测、食品安全、医疗诊断等新兴领域发挥重要作用。特别是在便携式健康监测和即时检测方面，芯片级的硅光子计算重建光谱仪将展现出巨大的应用潜力。

 

与此同时，在基于硅光子技术的计算重建光谱仪领域，仍然存在一些待解决的问题和挑战。首先，在硅光子平台中，光在波导和器件中的传输会引入一定的损耗，特别是在无序散射介质型光谱仪中，光的多次散射会导致较高的损耗，过高的平面外光泄漏会导致重建光谱分辨率的下降。其次，当前的研究虽然在一定程度上提高了光谱仪的分辨率和带宽，但如何在两者之间取得更好的平衡仍然是一个挑战。此外，光谱仪在实际应用中可能会面临复杂多变的环境条件，如温度波动、振动等。同时，无序散射介质、多模波导、MRR等硅光子器件对制造工艺的精度要求较高，工艺误差可能影响光谱仪的性能和稳定性。

 

综上所述，降低光学损耗、平衡光谱分辨率与带宽、提高温度稳定性和工艺容差能力，是基于硅光子技术的计算重建光谱仪领域亟待解决的问题和挑战。未来的研究将需要针对这些问题进行深入探索和创新，以推动芯片级计算重建光谱仪性能的进一步提升和广泛应用。

 

论文信息：DOI: 10.3788/LOP241582

 

 

（蜂耘仪器仪表网 责任编辑：似也）