使用光子分子的芯片级光谱仪
发布时间：2023-03-08 08:00:00
光谱仪的芯片级微型化使便携式设备能够快速检测光谱信息，开辟了新的应用。然而，集成光谱仪通常在光谱分辨率和光学带宽之间存在折衷。
为了解决这个问题，来自香港的科学家开发了一种新型的光谱仪，使用了色散工程的耦合谐振器，它类似于一个两级分子。不同的自由光谱范围从色散模式分裂中被识别出来，导致在超宽的带宽上以超高的分辨率重建光谱。
光学光谱仪在许多科学和工业应用中起着不可或缺的作用，如材料分析、生物传感、光学断层扫描和高光谱成像。传统的台式光谱仪容易受到机械振动的影响，不适合在实验室外进行实地部署。
用全固态光子集成电路制造的集成光谱仪，具有体积小、对振动的稳定性和潜在的低成本等优点。然而，大多数报道的集成光谱仪在光谱分辨率和操作带宽之间存在固有的折衷。高光谱分辨率需要长的光路长度来支持足够的光谱去重，这导致了较小的自由光谱范围（FSR）。
在发表在《光》上的一篇新论文中。科学与应用》上发表的一篇新论文中，由香港中文大学电子工程系的Hon Ki Tsang教授领导的一个科学家团队开发了一种突破性的方法，克服了芯片级光谱分析中的分辨率-带宽限制。
所提出的方案基于一对相同的可调谐微环谐振器（MRR），其中强烈的腔间耦合将每个谐振模式分成一个对称模式和一个反对称模式。这种独特的行为类似于由两个原子组成的双级分子中的能级分裂。有趣的是，模式分裂的强度与耦合强度成正比。
因此，通过设计 "光子分子 "的色散，分裂强度将在包含多个FSR的整个带宽内变化。当同时调谐两个MRRs时，每个波长通道将产生一个独特的扫描轨迹，从而有可能重建任何未知的输入光谱。
在实验中，使用光子-分子方案检索了许多具有不同复杂特征的测试光谱。所展示的光谱分辨率在100纳米的带宽内为40pm。值得注意的是，即使存在热噪声，也能保持高重建精度。该论文的作者说。
"我们的光谱仪是一种捕捉具有高光谱分辨率的宽带光谱的新方法。它完全依赖于一对耦合的谐振器。该设备具有非常低的功耗，并且与主流的纳米光子制造技术兼容。"
"该光谱仪是基于耦合谐振器的模式分裂。这种现象类似于一个有两个原子的分子中的能级分裂。我们的设计特点是配置简单，尺寸小，因此可以与其他设备密集地组合在一起。我们相信，这种方法有可能应用于未来的手持式甚至是可穿戴式光谱传感器"。
参考资料
Hongnan Xu et al, Breaking the resolution-bandwidth limit of chip-scale spectrometry by harnessing a dispersion-engineered photonic molecule, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01102-9
