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

光譜儀是檢測樣品吸收或發射光譜的關鍵器件，在化學分析、環境監測和天文學等多個領域中發揮著重要作用。傳統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陣列等。光譜測量一般通過兩種方法進行：（1）使用線掃描探測陣列檢測靜態衍射光柵的輸出信號；（2）通過機械旋轉衍射光柵進行波長掃描，并使用單個光電探測器檢測輸出信號。以上兩種方式或需要昂貴的檢測模塊，或需要機械運動部件，致使設備體積大、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場應用需求的增長，基于不同材料體系和器件結構的微型化光譜儀得到了廣泛探索，硅基光子器件因其與CMOS技術的兼容性和高折射率對比度，成為開發集成光譜儀的重要平臺。近年來，科研工作者們從不同方面提升硅基光譜器件的性能，包括擴大光學帶寬、提高光譜分辨率、改善信噪比（SNR）以及最小化設備尺寸等。然而，目前聚焦硅基光譜器件性能提升的相關綜述較少。

在本項工作中，研究者們全面概述了硅基集成光譜儀性能提升的多個方面、以及未來的機遇和挑戰。在光譜帶寬的提升方面，基于片上色散型光學器件的光譜儀具有明顯優勢，如陣列波導光柵（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其性能進行了對比。在光譜分辨率的提升方面，濾波型光譜器件具有顯著優勢，其包括級聯的微環諧振器（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對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）光譜儀由于具有復用優勢（Fellgett advantage），能夠在一個通道中同時測量所有波長的信號，具有明顯的信噪比優勢，論文綜述了駐波型FT光譜儀、空間外差FT光譜儀、時域可調諧FT光譜儀、數字型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，計算型光譜儀具有突出優勢，可通過多模波導、隨機光子晶體結構、隨機濾波結構、線性相干網絡等器件在極小的器件尺寸下實現高分辨率光譜檢測，并可通過壓縮感知等算法提升光譜分辨率，成為當下的一個研究熱點。

圖1.通過采用多種器件結構從不同方面提升集成光譜儀性能的方法，包括光學帶寬的擴展、光譜分辨率的提高、SNR的改善以及器件尺寸的壓縮。

本文在總結了硅基集成光譜儀的研究進展基礎上，進一步展望了硅基光譜器件的發展趨勢。首先，隨著算力的提升，基于計算光譜原理的集成光譜儀的研究重點仍將延續，然而計算光譜儀面臨著信噪比不足，靈敏度低等問題，是后續研究的重點。作為計算光譜儀的另一關鍵要素，光譜重構算法也需在后續的研究中不斷提升，助力更高的光譜分辨率、更寬的光譜檢測范圍、更快的光譜重構速度。其次，光譜器件與其他集成光學功能器件的高度集成是提升光子集成光路功能性的關鍵。此外，不同的應用場景對光譜器件的性能提出了不同的需求，例如在戶外、水下、空間探索等應用環境中，一個可靠的、具有中等光譜分辨率的光譜儀即可滿足光譜檢測需求，因此可選擇色散型光譜儀，而在生化分析、材料檢測等應用中，光譜分辨率則更為重要，因此可采用濾波型光譜儀和計算光譜儀。用戶需要根據不同需求選擇和設計不同類型的硅基光譜儀。最后，開發不同材料平臺、不同器件結構的集成光譜儀仍然是一個需要努力的方向，如鈮酸鋰、III-V族等材料，具有優異的光電特性，能夠為提升光子集成平臺的功能性方面發揮重要作用。

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

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