集成光谱仪可分为两大类：被动式光谱仪和扫描式光谱仪。被动式光谱仪通过使用探测器阵列或成像传感器阵列将入射光分成多个通道进行并行测量（如图1a），这导致硬件成本较高且动态范围较低。相比之下，使用单个探测器的扫描式光谱仪更适合便携式设备。扫描式光谱仪可以进一步细分为可调滤光片光谱仪（如图1b）、傅里叶变换光谱仪（FTS，如图1c）、基于开关阵列的光谱仪（如图1d）。近年来，芯片级光谱仪作为研究热点受到大量关注，已有多种有效技术手段实现高性能（宽带宽、高精度、大动态范围）芯片级光谱仪。但高性能的同时往往意味着高功耗和复杂的控制逻辑，严重制约了研究成果从实验室走向产业化应用。
图1 不同类型的集成光谱仪示例
据麦姆斯咨询报道，南京航空航天大学微波光子技术国家级重点实验室李昂教授和潘时龙教授联合浙江大学杨宗银教授的研究团队提出了一种可行的片上集成解决方案，开发出用户友好型可重构的硅基光谱仪。这种创新光谱仪的核心是一种能够展现多种光谱响应的可编程光子回路，并可通过片上移相器进行显著调整。这种光谱仪的独特之处在于其逆向设计方法，便于轻松控制和高效操控可编程光子回路。通过消除对复杂配置的需求，该研究所提出的设计降低了功耗和控制复杂性。此外，这种可重构光谱仪还可在两种不同的工作模式之间切换：超高性能模式（ultra-high performance mode）和易用模式（ease of use mode）。这项研究成果以“An inversely designed integrated spectrometer with reconfigurable performance and ultra-low power consumption”为题发表在Opto-Electronic Advances期刊上。
在这项工作中，研究人员提出利用简化的可编程光子回路进行光谱重建。可编程光子回路的结构如图2a所示，由不平衡马赫-曾德干涉仪（iMZI）组成的二维阵列以网状结构互连。在集成光学器件上应用智能逆向设计以优化其性能已得到广泛研究。在众多逆向设计算法中，研究人员建议采用粒子群优化算法（PSO）对这些结构参数进行逆向优化，因为该算法具有快速收敛和出色的全局寻优能力。研究人员采用上述方法，对由11个iMZI构成的可编程光谱仪进行了逆向设计，相关结果如图2b至图2e所示。接着，研究人员对逆向设计结构进行了行为模拟，相关结果如图3所示。
图2 可编程光子回路结构和逆向设计结构的特性
图3 逆向设计结构行为的模拟结果
该可编程光谱仪芯片由Applied Nanotools公司制造而成。所制造器件结构的显微图像和封装芯片照片如图4a所示。采用可调谐激光源（Agilent 8164B系统）测量了可编程光谱仪在不同移相器工作模式下的400个光谱响应，光谱覆盖范围从1460 nm至1580 nm。单次同时驱动11个移相器时，400个光谱响应的原始数据如图4b所示，相应的移相器功耗如图4c所示。图4d和图4e分别显示了400个光谱响应的自相关和交叉相关的示例。随后，研究人员还测试了单次驱动1个移相器时器件的工作能力，相关结果如图5所示。
图4 可编程光谱仪芯片及单次同时驱动11个移相器时器件的性能表征
图5 单次驱动1个移相器时器件的性能表征
最后，研究人员利用该可编程光谱仪对多种光谱进行了重建。结果显示，该可编程光谱仪具有宽带宽、高光谱分辨率、低插入损耗、低功耗、简单的控制逻辑以及可重构性等特点。
综上所述，这项研究工作开发了一种逆向设计、用户友好型集成光谱仪，并具有可重构性。该集成光谱仪基于可编程光子回路，其光谱响应可通过电信号显著调整。这一创新设计解决了传统光谱仪面临的挑战，提供了更高的效率和易用性。该集成光谱仪可在两种模式下工作：（1）单次同时驱动11个移相器的超高性能模式，（2）单次仅驱动1个移相器的易用模式。第一种模式可以实现120 nm的带宽和皮米级的光谱分辨率。第二种模式虽然具有相同的带宽，但分辨率仅为0.3 nm。然而，由于仅需驱动1个移相器并具有最低功耗要求，第二种模式无需复杂且高功耗的控制系统，这一特点对于便携式或电池驱动设备而言尤为重要，尤其在功耗至关重要的应用场景中具有显著优势。
这项研究成果解决了便携式光谱设备开发者所面临的复杂困境：如何在不牺牲能效的情况下提供高性能的分析功能。这一突破性成果对便携设备的未来具有重大意义，使得先进光谱分析技术能够在没有专业实验室设备限制的日常环境中使用，为广大用户带来了实时数据收集和分析的新可能。
论文链接：
https://doi.org/10.29026/oea.2024.240099
