光谱分析技术广泛应用于生物医学、材料科学、遥感等领域，但传统的基于分光器件的台式光谱仪具有复杂的衍射或干涉装置，体型笨重、价格昂贵，无法胜任新兴的需求，例如可穿戴健康监测、Lab-on-Chip等。与传统台式光谱仪相比，集成化的光谱仪由于没有机械移动部件，具有更高的靠可行、紧凑性和现场应用能力，可以拓宽光谱测量的应用领域。
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设计了一个基于硅光子平台的片上光谱仪。该器件由一个透射光谱可重构的硅光滤波器构成。通过改变滤波器的透射光谱，可以实现对输入光谱的多次且不同的采样。再结合人工神经网络算法，从采样后的信号中重建出入射光谱。可重构的硅光滤波器由互相耦合的马赫曾德干涉仪和微环谐振腔组成。采用集成的热光相移器引入相位变化，能够对滤波器的透射光谱进行重构。该器件能够在1500-1600 nm波长范围内，实现精确的光谱计算重建，分辨率可达0.2 nm。硅光子滤波器的可重构特性为该器件的光谱检测能力提供了额外的自由度，使得用户可以根据应用场景改变器件的采样通道数量，对分辨率、相对误差、计算复杂度等特性进行灵活配置。相关研究内容以“基于可重构硅光滤波器的计算重建片上光谱仪”为题发表在《物理学报》期刊上。
这项研究设计的片上光谱仪主要由一个透射光谱可重构的波导型硅光滤波器构成。器件的结构示意图如图1所示。通过对相移器外加控制信号，改变相移器引入的相位变化，实现对滤波器透射光谱的重构。每次改变滤波器的透射光谱（滤波器工作状态），就可以对输入光信号完成一次采样。通过合理设置控制信号，使不同状态下可重构滤波器的透射光谱具有独特的光谱特征，得到一组优化的低相关性的滤波器透射光谱。基于这一组透射光谱，实现对入射光谱的多样化地采样。采样后的光谱信号在滤波器的输出端经光电探测器转化为响应向量。光谱的重建过程如图2所示。
图1 基于可重构硅光滤波器的片上光谱仪结构示意图
图2 光谱重建过程示意图
所设计的可重构硅光滤波器由一个MZI和两组二阶串联MRR组成。二阶MRR的输入和输出端分别与MZI的上下两个相移器相耦合。MRR的引入能够在谐振波长附近提供波长相关的相移，并提高光信号在器件中传播路径的多样性。MR的半径采用不同的设计参数，可以引入游标效应，进一步提高滤波器透射光谱的多样性。此外，两组二阶MRR都采用了过耦合的设计，所得到的MRR的透射光谱呈现宽光谱的特征，这样也能够提高整体滤波器对入射光谱的全局采样效率。
滤波器中有5个热光相移器，PS1用于调整MZI两臂的相位差，PS2、PS3、PS4、PS5分别用于调整4个MR的相位。通过分别控制5个电极的电压，就能通过热光效应改变相移器引入的相位变化量（Δφ1、Δφ2、Δφ3、Δφ4、Δφ5），从而对滤波器的透射光谱进行灵活的调整。
该光谱仪采用的ANN模型包含1个卷积层，3个全连接层，1个从输入到输出的残差连接。卷积层可用于提取映射中的非线性特征，全连接层用于光谱重建。卷积层中有一组具有特定窗口大小的一维可学习卷积核。核的数量和窗口大小如图3所示。在每个卷积层之后，使用修正线性单元（ReLU）作为激活函数，然后使用非重叠最大池对激活函数的输出进行下采样，池化窗口和步长都为2。下采样的输出被展平，然后输入到随后的3个全连接层。前2层之后是ReLU和dropout。引入dropout是为了减少网络的过拟合。最后一个全连接层的输出与网络的输入相加，被输入到回归输出层中。每个全连接层中的单元数量如图3所示。其中输出层有1001个节点，代表重建出的光谱强度，波长在1500-1600 nm范围内，每个波长点的间距为0.1 nm。网络训练中采用均方误差（MSE）作为损失函数。
图3 光谱重建算法示意图
随后，研究人员根据该光谱仪的设计对其进行了模拟仿真。该光谱仪拟采用绝缘体上硅（SOI）工艺平台，顶硅厚度为220 nm，埋氧层厚度为2 μm. 波导采用高度220 nm、宽度450 nm、两侧平板区厚度70 nm的单模脊型波导。该研究采用Ansys Lumerical Interconnect完成器件的线路级仿真，采用光网络分析仪模块来获得器件的光谱响应。光源波长范围为1500-1600 nm，分辨率为0.1 nm。
可重构滤波器是这项研究的片上光谱仪的核心单元。通过热光相移器改变可重构滤波器的光谱响应，以获得多个采样结果。每完成一次完整的采样需要遍历滤波器的32个采样状态。这样的采样策略需要一定的采样时间，主要包括热光相移器和控制电路的响应时间，其中热光相移器的响应时间在微秒量级。对于控制电路而言，每个采样通道的延时小于1 ms，因此预估该片上光谱仪可以在32 ms内完成对入射光谱的一次扫描。需要注意的是，在一些对实时性要求较高的应用场景下，如非重复的脉冲信号的检测、实时光学相干断层扫描等，基于多通道滤波器（如波导阵列光栅）的光谱仪依然是首选方案。虽然这类方案的分辨率可能相对较低，但它们可以同时捕获所有波长通道的光强信息，无需进行扫描或计算重建。将该片上光谱仪的性能与其他基于滤波器的计算重建光谱仪进行了比较，如图4所示。
图4 已报道的基于滤波器的计算光谱仪的性能比较
综上所述，这项研究提出了一个基于可重构的硅光滤波器的片上光谱仪。通过控制信号改变滤波器的透射光谱，可以实现对输入光谱的多次且不同的采样。再结合ANN算法，从采样后的信号中重建出入射光谱。该器件基于单个可重构滤波器实现对入射光谱的多样化采样，能够显著减小光谱检测芯片的面积，在集成度、硬件成本等方面具有更明显的优势。仿真结果表明，该器件能够在1500-1600 nm波长范围内，对不同类型的光谱进行精确的计算重建。在由合成光谱构成的测试集上，计算重建光谱的平均误差RMSE为0.0075，平均相对误差ε为0.0174。针对双窄峰光谱的分辨率达0.2 nm。得益于硅光子滤波器的可重构特性，该芯片能够灵活改变采样通道数，允许用户根据应用场景对芯片进行灵活配置。受限于热光调制微秒量级的响应时间，该器件的采样速度难以进一步提升。未来可通过引入热隔离结构，或基于有源工艺采用电光相移器来提升片上光谱仪的采样速度。该基于可重构滤波器的计算重建光谱芯片为芯片级光谱仪提供了新的方案，在微型光谱仪、Lab-on-Chip等领域有广阔的应用前景。
https://doi.org/10.7498/aps.73.20240224
