成果概述

近日，浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院戴道鋅教授研究團(tuán)隊提出并實現(xiàn)了一種微型化超精密光譜芯片新方案，基于硅基超精細(xì)濾波與寬帶濾波相融合技術(shù)實現(xiàn)了具有超高分辨率（高達(dá) 5 pm）的超小型片上光譜儀。該研究有望集成于智能手機(jī)，在人體健康等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

該成果以“Ultrahigh-resolution On-chip Spectrometer with Silicon Photonic Resonators”為題發(fā)表在《Opto-Electronic Advances》雜志2022年第7期，被選為當(dāng)期封面文章。論文第一作者為光電學(xué)院博士后張龍和寧波研究院助理研究員張明，通訊作者為戴道鋅。

研究背景

光譜儀是實現(xiàn)光譜分析的核心儀器，已在生物傳感、食品藥物檢測、臨床診斷、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域發(fā)揮了十分重要的作用。傳統(tǒng)光譜儀體積龐大、價格昂貴，其應(yīng)用場景受到了極大限制。

隨著消費(fèi)電子時代的到來，儀器便攜性需求越來越高，光譜儀小型化與集成化已成趨勢。特別是，片上光譜儀具有尺寸、重量、功耗及穩(wěn)定性等方面的先天優(yōu)勢。而如何突破其分辨率性能瓶頸是未來片上光譜儀應(yīng)用于智能手機(jī)、航天探測等諸多領(lǐng)域的關(guān)鍵。

研究亮點

浙江大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院戴道鋅教授研究團(tuán)隊提出了一種將超精細(xì)濾波與寬帶濾波相融合的新方案，并基于硅光技術(shù)實現(xiàn)了超高分辨率的超小型片上光譜儀（圖1）。特別是，該團(tuán)隊將歐拉曲線型超高Q微環(huán)諧振腔引入作為其超精細(xì)濾波器，從而極大地提升了光譜分辨率；與此同時，將級聯(lián)雙環(huán)陣列引入作為其粗濾波器組件，突破了精細(xì)濾波器自由光譜范圍受限而導(dǎo)致的光譜探測范圍問題。

圖1 超高分辨率片上光譜儀結(jié)構(gòu)圖與工作原理圖(原文Figure 1)

該研究團(tuán)隊成功地制備了尺寸僅為0.35mm2的超小型光譜儀芯片（圖2）。結(jié)果表明：該片上光譜儀分辨率為5pm（圖3,4），實現(xiàn)了迄今世界上最高分辨率的色散型片上光譜儀。其工作光譜窗口約10nm，并實現(xiàn)了迄今報道的超小尺寸（<1mm2）片上光譜儀的最高動態(tài)范圍（即工作帶寬/分辨率之比高達(dá)2000）。

圖2 光譜儀芯片顯微鏡圖(原文Figure 2)

圖3 待測雙峰光譜還原結(jié)果圖(原文Figure 5)

圖4 商用布拉格光纖濾波器光譜還原結(jié)果圖(原文Figure 6)

總結(jié)展望

該成果不僅在性能上突破色散型片上光譜儀分辨率不足的瓶頸，同時其制備與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝完全兼容，具備大批量生產(chǎn)的先天條件，最終有望在智能手機(jī)等電子設(shè)備中實現(xiàn)食物檢測及大氣監(jiān)測等。

原文鏈接：

https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2022.210100

審核編輯 ：李倩