光譜儀是化學及生物傳感、材料表征以及天文科學領域最重要的工具之一。傳統的臺式光譜儀通常采用笨重的色散組件構建，使其無法滿足快速增長的緊湊、低成本光譜分析需求，例如，用于醫療保健監測的可穿戴設備、基于智能手機或無人機的遙感以及太空探索等。

數十年來，學術界和工業界都在積極開發微型光譜儀。盡管如此，光譜儀的尺寸縮小仍不可避免地需要在分辨率、帶寬、信噪比等方面進行權衡。迄今為止，還沒有真正能夠打破技術瓶頸的微型化光譜儀驗證，使其同時實現超高分辨率（低至皮米級）和寬帶寬（>100?nm）。

然而，這些正是許多生物醫學傳感、工業化學監測應用分析光譜工具以及小型化光學成像系統的基本要求，例如，要求大成像深度和高空間分辨率的譜域光學相干斷層掃描（SD-OCT）。

解復用和檢測光譜儀通常需要將入射光光譜分解為空間或時間檢測信道的色散元件或窄帶濾波器。這在頻譜分量和信道功率之間創建了線性映射。因此，信道數定義了帶寬分辨率比，該比值受限于每個信道的最小檢測功率或可接受的器件復雜性/占位面積。

利用壓縮采樣，重建光譜儀（RS）成為高效光譜采集的新范式。利用以不同光譜響應編碼的有限數量的采樣信道，RS可以用聚合光功率對整個入射光譜進行采樣，并解析更大數量的光譜像素，不過，這需要更復雜的光譜到空間映射。

這種欠定系統的特性應該最有利于片上光譜儀的開發，因為所需要的資源最少。然而，RS仍然需要大量高度不相關的寬帶采樣信道，以達到超高的帶寬分辨率比。圖1a展示了已有報道的基于無源光譜濾波器的小型化RS的通用示意圖，例如，通過無序散射介質、超構表面、光子晶體或基于量子點的濾波器陣列。雖然它們代表了超緊湊RS的最簡潔形式，但由于無源分束損耗，信道數量可能會受到限制。

最近有研究還開發了具有可調諧光譜響應的有源RS，例如，具有可調諧吸收光譜的僅檢測器RS，具有MEMS或熱可調諧諧振器的基于濾波器的RS，如圖1b所示。然而，根據壓縮感知理論，迄今為止報道的通過使用集總結構生成采樣信道的方法表現出有限的去相關性，限制了超高帶寬分辨率比的實現。

圖1 可重構光譜儀概念。a）基于無源光譜濾波器的小型化RS的通用示意圖。b）采用集總結構的具有可調諧頻譜響應的有源RS設計示意圖，采樣信道之間不可避免的具有高互相關性。這里示出了MEMS可調諧RS作為示例。c）本研究提出的可重構RS概念圖?；诳汕袚Q元件的可重構網絡用于通過不同光路主動路由入射信號，而不會引起任何分束損耗。寬帶頻譜濾波器分布在每個可切換元件之后，以為每個信道生成高度不相關的頻譜響應。

據麥姆斯咨詢介紹，英國劍橋大學工程學系電氣工程部光子系統中心的研究人員通過引入一種采用分布式濾波器生成超寬帶偽隨機光譜響應的新穎方法，向在光子集成芯片上實現超寬帶皮米級分辨率光譜儀邁出了重要一步。該方案得到的采樣信道高度不相關，從而允許計算重建。該研究成果已經以“Broadband picometer-scale resolution on-chip spectrometer with reconfigurable photonics”為題發表于Light: Science & Applications期刊。

研究人員將分布式濾波器嵌入芯片上的可重構光子網絡中，如圖1c所示，從而在不犧牲采樣信道之間去相關性的情況下，實現了采樣信道數量上的卓越可擴展性。通過正確設計每個分布式濾波器的頻譜特性，一系列重疊的傳輸頻譜可以形成具有較小自相關性和互相關性的采樣矩陣，以在整個頻譜上有效地獲取信息。

制造的光譜儀及其封裝

可重構光子電路已經在很多新興領域得到應用，例如光學和量子計算、光開關和信號處理以及由絕緣體上硅（SOI）平臺實現的光網絡等。在這種可重構光子網絡中嵌入濾波器可以實現頻譜整形。雖然該設計可以很容易地通過納米光子硅電路實現，但研究人員選擇采用CMOS兼容的氮化硅（SiN）平臺，因為這種平臺具有卓越的熱魯棒性。當光譜儀降至皮米級分辨率時，溫度變化會限制重建精度。

微環已被提出用于形成單個諧振器光譜儀，利用其添加-刪除濾波形成可調諧的本地采樣器。研究人員在設計中采用了一種級聯全通微環諧振器（MRR）對整個輸入頻譜進行有效采樣的策略。這些全通微環濾波器在過耦合區域工作，具有有限的消光比，從而最大限度地減少了采樣損耗。其全局采樣能力大大降低了對采樣時間的要求。

采用可重構光子學技術，可以實現用戶定義的性能，提供額外的可編程性，具體取決于分辨率、計算復雜性和相對誤差之間的權衡。這可以拓寬其應用范圍，涵蓋的用例包括以可接受的性能水平識別特征光譜峰值，以及具有超高分辨率和低誤差的相對計量。

利用可創建多達256個可重構狀態的互連Mach-Zehnder干涉儀（MZI）適度網格，研究人員展示了一種具有超高分辨率（<30?pm）和超寬帶（>115?nm）的片上光譜儀，據悉，這實現了迄今為止有報道的最高RS帶寬分辨率比。通過實驗擬合的數據和等效水平的測量誤差，進一步表明這種方法可以輕松實現個位數皮米級的分辨率。

盡管研究人員采用了在檢測時聚合噪聲的全局采樣策略，但還是成功解析了僅有2?dB光信噪比（OSNR）的窄帶激光信號。并進一步證明，得益于SiN平臺，該器件具有±2.0?°C的優異熱穩定性，這為片上光譜儀的成功開發開辟了一條清晰的道路，其精度能夠匹敵甚至超越臺式光譜儀產品。

審核編輯：劉清