如图1所示，文章借助亚波长刻槽阵列所具备的相位可调特性，通过组合不同长度的刻槽在平板波导中生成随机的波阵面。在此过程中，刻槽宽度固定在亚波长尺度，以尽可能地降低光学损耗。依据惠更斯－菲涅耳原理，超构表面的相位调制能够经由干涉与衍射效应，转化为输出截面上的强度分布，进而将光谱信息随机编码于散斑图案中。
图1. 所提出的设备设计原理。a) 快照式随机散斑光谱仪的结构示意图。b) 刻槽阵列的模拟透射率和相位分布。c) 随机超构表面的示意图（左）及相应的相位分布（右）。d) 经过三层随机超构表面的光场分布。
为了进一步提升散斑中的光谱信息，研究团队采用了多层级联的方法，有效提升了散斑的无序程度，如图2所示。在本研究中，散斑图样的采样方式从一维阵列波导扩展至二维空间，显著提高了光谱信息的丰富度。相较于平板波导中的一维散斑，通过光栅衍射生成的二维散斑图案能够采集两个维度上分布的光谱信息(图2 (a))，捕捉到更多的细节特征，进而提升空间分辨率和采样通道密度(图2 (b)- 图2 (e))。这种采样方式的拓展为数据处理和光谱重建提供了更为丰富的信息基础。通过采集不同波长对应的二维散斑图案，构建了一个蕴含丰富光谱信息的传输矩阵。光谱仪的分辨率可用归一化光谱相关函数进行评估，如图2 (g)所示。结果表明，相较于一维采样，二维采样预计能够大幅提升光谱仪的分辨率。
图2. 光谱仪的可扩展性评估。a) 层状随机超构表面的示意图，在平板波导中采样的1D散斑(黄色虚线)和从光栅衍射输出采样的2D散斑(紫色虚线)。b) 不同光谱通道的1D散斑。c) 从1D散斑导出的光谱-空间传递矩阵。d) 不同光谱通道的2D散斑。结构示意图和超构表面设计。e)从2D散斑导出的光谱-空间的传递矩阵。f) 四个采样通道下的透射光谱。g) 一维散斑和二维散斑对应的归一化的光谱相关曲线。
采用面外相机探测对散斑分布进行二维采样(图3 (a))，有效规避了传统片上采样因波导间距所引发的光谱信息缺失问题，显著提升了散斑的空间采样密度，进而提高了光谱分辨率与通道密度。不同输入波长下，散斑图案呈现出独特的强度分布特征(图3 (c))。这些散斑图案被整合成一个光谱-空间转移矩阵(图3 (d))，该矩阵蕴含大量光谱信息，可用于后续的光谱重建工作。如图3 (e)所示，通过分析归一化光谱相关函数，预估光谱仪的分辨率可达43.5 pm。
图3.光谱仪的实验表征。a) 实验设置图像。b) 设备的光学显微镜图像。c) 在输入波长分别为1551 nm、1552 nm、1553 nm和1554 nm时的测量输出散斑图案。d) 由所有通道中所有波长的测量强度组成的合并光谱-空间传递矩阵。e) 制作的光谱仪的归一化光谱相关函数。
为全面评估光谱仪对任意光谱的重构性能，使用多种光谱样本进行测试。如图4 (a)所示，光谱仪成功分辨出间隔47 pm的双峰光谱，并在1530 nm至1570 nm的光谱范围内对一系列窄带光谱实现了精准重构(图4 (b))。此外，对于包含多个不同强度峰的复杂光谱(图4 (c))，以及窄带高斯峰与宽带背景的混合光谱(图4 (d))，光谱仪均能准确测量，其重建结果与商业光谱仪测得的光谱曲线高度一致，充分验证了所提出的光谱仪在高分辨率、宽光谱范围以及复杂光谱条件下的可靠性能。
本文提出的快照式片上衍射型散斑光谱仪，采用级联的片上无序超构表面，有效抑制了光谱指纹中的波长相关性，实现高光谱通道密度同时保持了器件的高集成度。最终所提出的器件以150 μm × 300 μm的紧凑尺寸在40 nm波长范围内实现了47 pm的双峰分辨率，光谱通道密度高达18911 ch/mm²，这一指标在快照式光谱仪领域展现出显著优势。器件制备采用标准硅光子工艺，与 CMOS 工艺完全兼容，具备高可靠性和大规模制造的潜力。快照式的测量方式有效降低了功耗，提升了测量速度，使其在便携式光谱分析、生物医学成像、环境监测和食品安全检测等领域具有广阔的应用前景。此外，通过进一步扩展超构表面的尺寸或层数，有望进一步提升光谱通道数量与光谱仪性能。
哈尔滨工业大学（深圳）的博士生张子萌为论文的第一作者，哈尔滨工业大学（深圳）徐科教授为论文通讯作者，哈尔滨工业大学（深圳）为通讯单位。本研究得到国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会、广东省杰出青年自然科学基金的支持。
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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202401987
作者信息
徐科，哈尔滨工业大学（深圳）集成电路学院学院教授，博导,入选国家级青年人才，广东省杰青、深圳市优青。研究方向包括集成光学，硅基光电子学等，以第一/通讯作者在Nature Communications、Light: Science & Applications、Nano Letters、Laser & Photonics Reviews等杂志发表论文50余篇，H-index为39，多项成果入选ESI高被引论文、OFC Top-scored论文、中国光学十大进展等。课题组现诚聘博士后，提供有竞争力的薪资待遇、充足的科研支持、优良的工作环境，以及境内外合作交流机会。有意者请联系徐老师（kxu@hit.edu.cn）。
供稿：课题组
