芯片级光谱仪指向便携式仪器

香港中文大学的科学家们开发了一种芯片级光谱仪的方法，它能提供高光谱分辨率和光学带宽。研究人员通过调整光子分子中模式分裂的色散，设计并开发了一个集成光谱仪，以识别不同自由光谱范围（FSR）的光谱信息。

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。光学光谱仪的芯片级集成可以为原位生化分析、遥感和智能保健以及可穿戴设备提供新的机会。此外，集成光谱仪--由全固态光子集成电路构建--可能是低成本的，并能很好地承受振动。

然而，这些光谱仪的小型化往往导致光谱分辨率和工作带宽之间的权衡。高光谱分辨率需要一个长的光路长度来支持足够的光谱去重，这导致了较小的FSR。

为了解决这个问题，研究人员将光谱仪建立在一对相同的可调谐微环谐振器（MRR）上，并在耦合的谐振器上使用色散工程。

由于谐振器中强烈的腔间耦合，每个谐振模式被分成一个对称模式和一个反对称模式，表现出一种类似于双级分子中能级分裂的行为。

通过设计这种 "光子分子 "的色散，谐振器的模式分裂强度在整个带宽内变化，这跨越了多个FSR。当两个MRRs同时被调谐时，每个波长通道产生一个独特的扫描轨迹，使其有可能重建任何未知的输入频谱。不同的FSR可以从色散模式分裂中识别出来，从而在一个超宽的带宽上以超高的分辨率进行频谱重建。

(a) 艺术家对使用色散工程光子分子的集成光谱仪的描述。(b) 该结构由两个相同的、可调谐的微环谐振器组成。未知的输入光谱通过热光学调谐进行扫描，以产生一个输出信号。目标是用校准的传输矩阵来恢复信号的光谱信息。(对于单个谐振器，不同自由光谱范围(FSR)的信息是无法区分的。如果一对谐振器是强耦合的，那么每个谐振将分裂成一个对称模式和一个反对称模式，这类似于一个两级分子。分裂强度与谐振器之间的耦合强度成正比。因此，通过定制色散，分裂强度将在多个FSR上变化。(d) 对于由FSR的整数倍间隔的两个波长(λ2 = λ1 + m-FSR)，它们的功率扫描轨迹可以从色散模式分裂引起的明显的峰值间隔中识别出来。通过这种方式，所有的波长通道都是不相关的，使得重建超出FSR极限的光谱成为可能。徐宏南等人提供。

据研究人员称，耦合谐振器中的模式分裂现象类似于一个有两个原子的分子中的能级分裂。

为了证明他们的方法，研究人员使用光子-分子方案检索了许多具有不同复杂特征的测试光谱。实验结果显示，在100纳米的超宽带宽上，光谱分辨率高达40pm，产生了2501的波长通道容量，远远超过了狭窄的FSR。

在大约60×60μm2的小面积内的单一空间通道支持了波长-通道容量；据研究人员所知，这代表了迄今为止所展示的最高的通道-面积比率和光谱-空间比率。此外，研究人员进一步发现，即使存在热噪声，他们也能保持高重建精度。

该光谱仪的设计特点是配置简单，尺寸小，因此它可以与其他设备密集在一起。此外，它与主流纳米光子制造技术兼容，研究人员说。

该研究发表在《光： 科学与应用》（www.doi.org/10.1038/s41377-023-01102-9）。