光譜儀是化學(xué)及生物傳感、材料表征以及天文科學(xué)領(lǐng)域最重要的工具之一。傳統(tǒng)的臺(tái)式光譜儀通常采用笨重的色散組件構(gòu)建，使其無(wú)法滿足快速增長(zhǎng)的緊湊、低成本光譜分析需求，例如，用于醫(yī)療保健監(jiān)測(cè)的可穿戴設(shè)備、基于智能手機(jī)或無(wú)人機(jī)的遙感以及太空探索等。

數(shù)十年來(lái)，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都在積極開(kāi)發(fā)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(jìn)行權(quán)衡。迄今為止，還沒(méi)有真正能夠打破技術(shù)瓶頸的微型化光譜儀驗(yàn)證，使其同時(shí)實(shí)現(xiàn)超高分辨率（低至皮米級(jí)）和寬帶寬（>100?nm）。

然而，這些正是許多生物醫(yī)學(xué)傳感、工業(yè)化學(xué)監(jiān)測(cè)應(yīng)用分析光譜工具以及小型化光學(xué)成像系統(tǒng)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(xué)相干斷層掃描（SD-OCT）。

解復(fù)用和檢測(cè)光譜儀通常需要將入射光光譜分解為空間或時(shí)間檢測(cè)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(chuàng)建了線性映射。因此，信道數(shù)定義了帶寬分辨率比，該比值受限于每個(gè)信道的最小檢測(cè)功率或可接受的器件復(fù)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(yīng)編碼的有限數(shù)量的采樣信道，RS可以用聚合光功率對(duì)整個(gè)入射光譜進(jìn)行采樣，并解析更大數(shù)量的光譜像素，不過(guò)，這需要更復(fù)雜的光譜到空間映射。

這種欠定系統(tǒng)的特性應(yīng)該最有利于片上光譜儀的開(kāi)發(fā)，因?yàn)樗枰馁Y源最少。然而，RS仍然需要大量高度不相關(guān)的寬帶采樣信道，以達(dá)到超高的帶寬分辨率比。圖1a展示了已有報(bào)道的基于無(wú)源光譜濾波器的小型化RS的通用示意圖，例如，通過(guò)無(wú)序散射介質(zhì)、超構(gòu)表面、光子晶體或基于量子點(diǎn)的濾波器陣列。雖然它們代表了超緊湊RS的最簡(jiǎn)潔形式，但由于無(wú)源分束損耗，信道數(shù)量可能會(huì)受到限制。

最近有研究還開(kāi)發(fā)了具有可調(diào)諧光譜響應(yīng)的有源RS，例如，具有可調(diào)諧吸收光譜的僅檢測(cè)器RS，具有MEMS或熱可調(diào)諧諧振器的基于濾波器的RS，如圖1b所示。然而，根據(jù)壓縮感知理論，迄今為止報(bào)道的通過(guò)使用集總結(jié)構(gòu)生成采樣信道的方法表現(xiàn)出有限的去相關(guān)性，限制了超高帶寬分辨率比的實(shí)現(xiàn)。

圖1 可重構(gòu)光譜儀概念。a）基于無(wú)源光譜濾波器的小型化RS的通用示意圖。b）采用集總結(jié)構(gòu)的具有可調(diào)諧頻譜響應(yīng)的有源RS設(shè)計(jì)示意圖，采樣信道之間不可避免的具有高互相關(guān)性。這里示出了MEMS可調(diào)諧RS作為示例。c）本研究提出的可重構(gòu)RS概念圖?；诳汕袚Q元件的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)用于通過(guò)不同光路主動(dòng)路由入射信號(hào)，而不會(huì)引起任何分束損耗。寬帶頻譜濾波器分布在每個(gè)可切換元件之后，以為每個(gè)信道生成高度不相關(guān)的頻譜響應(yīng)。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，英國(guó)劍橋大學(xué)工程學(xué)系電氣工程部光子系統(tǒng)中心的研究人員通過(guò)引入一種采用分布式濾波器生成超寬帶偽隨機(jī)光譜響應(yīng)的新穎方法，向在光子集成芯片上實(shí)現(xiàn)超寬帶皮米級(jí)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(guān)，從而允許計(jì)算重建。該研究成果已經(jīng)以“Broadband picometer-scale resolution on-chip spectrometer with reconfigurable photonics”為題發(fā)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(gòu)光子網(wǎng)絡(luò)中，如圖1c所示，從而在不犧牲采樣信道之間去相關(guān)性的情況下，實(shí)現(xiàn)了采樣信道數(shù)量上的卓越可擴(kuò)展性。通過(guò)正確設(shè)計(jì)每個(gè)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(guān)性和互相關(guān)性的采樣矩陣，以在整個(gè)頻譜上有效地獲取信息。

制造的光譜儀及其封裝

可重構(gòu)光子電路已經(jīng)在很多新興領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如光學(xué)和量子計(jì)算、光開(kāi)關(guān)和信號(hào)處理以及由絕緣體上硅（SOI）平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的光網(wǎng)絡(luò)等。在這種可重構(gòu)光子網(wǎng)絡(luò)中嵌入濾波器可以實(shí)現(xiàn)頻譜整形。雖然該設(shè)計(jì)可以很容易地通過(guò)納米光子硅電路實(shí)現(xiàn)，但研究人員選擇采用CMOS兼容的氮化硅（SiN）平臺(tái)，因?yàn)檫@種平臺(tái)具有卓越的熱魯棒性。當(dāng)光譜儀降至皮米級(jí)分辨率時(shí)，溫度變化會(huì)限制重建精度。

微環(huán)已被提出用于形成單個(gè)諧振器光譜儀，利用其添加-刪除濾波形成可調(diào)諧的本地采樣器。研究人員在設(shè)計(jì)中采用了一種級(jí)聯(lián)全通微環(huán)諧振器（MRR）對(duì)整個(gè)輸入頻譜進(jìn)行有效采樣的策略。這些全通微環(huán)濾波器在過(guò)耦合區(qū)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(duì)采樣時(shí)間的要求。

采用可重構(gòu)光子學(xué)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)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(jì)算復(fù)雜性和相對(duì)誤差之間的權(quán)衡。這可以拓寬其應(yīng)用范圍，涵蓋的用例包括以可接受的性能水平識(shí)別特征光譜峰值，以及具有超高分辨率和低誤差的相對(duì)計(jì)量。

利用可創(chuàng)建多達(dá)256個(gè)可重構(gòu)狀態(tài)的互連Mach-Zehnder干涉儀（MZI）適度網(wǎng)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(jù)悉，這實(shí)現(xiàn)了迄今為止有報(bào)道的最高RS帶寬分辨率比。通過(guò)實(shí)驗(yàn)擬合的數(shù)據(jù)和等效水平的測(cè)量誤差，進(jìn)一步表明這種方法可以輕松實(shí)現(xiàn)個(gè)位數(shù)皮米級(jí)的分辨率。

盡管研究人員采用了在檢測(cè)時(shí)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(hào)。并進(jìn)一步證明，得益于SiN平臺(tái)，該器件具有±2.0?°C的優(yōu)異熱穩(wěn)定性，這為片上光譜儀的成功開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了一條清晰的道路，其精度能夠匹敵甚至超越臺(tái)式光譜儀產(chǎn)品。

審核編輯：劉清