高分辨率可扩展的级联纳米梁光谱仪

撰稿|由课题组供稿

摘要：片上重建型光谱仪为小型化、便携式的应用提供了一种有效的途径。本文提出了一种结合纳米梁滤波器和重建算法的光谱仪方案，成功地演示了0.16 nm线宽的窄带信号和0.32 nm间距的双峰信号的重建，这一结果打破了窄带滤波器的半高全宽(FWHM)限制。此外，本文还成功演示了三通道级联器件重建16 nm带宽的信号，展示了工作带宽的可扩展性。该工作有望应用于精密、小型化的集成应用场景。

关键词：纳米梁，微型光谱仪，重建算法

分类：光子，器件，纳米

  近期，来自华中科技大学的张新亮教授科研团队以“Cascadednanobeam spectrometer with high resolution and scalability”为题，在Optica上发表了高分辨率可扩展的级联纳米梁光谱仪的研究工作。（DOI:10.1364/OPTICA.453483）

a. 整体设计

       图1为三通道级联纳米梁光谱仪的原理图，其基本单元是Fano增强的纳米梁谐振腔。输入光被引导并耦合到光子晶体纳米梁结构中，被两侧的一维刻蚀孔反射形成谐振，而非谐振光传输到下一个单元。每个单元的谐振波长经过设计分别为1547.44 nm、1552.80 nm和1558.21 nm，并且配置了热电极以调谐使得谐振波长覆盖整个工作波段。通过预存每个调谐状态下输出端口的传输谱，并探测信号输入时的输出功率，可以构建出关于输入信号的线性方程组。然后再使用重建算法求解该方程组，即可以实现输入信号的恢复。

图1. 级联纳米梁光谱仪工作原理

b. 结果演示

       作为分辨率的表征，该工作演示了0.16 nm线宽的窄带信号以及0.32 nm间距的双峰信号的重建。此外，实验结果还展示重建了不对称双峰、多峰以及16 nm宽带信号。得益于纳米梁谐振腔传输谱具有高度正交性的特点，该系统具有高分辨率、可扩展的带宽以及紧凑的尺寸，并且有望移植到其他波段，是光谱测量的一个有效的解决方案。

图2. 信号重建结果

该研究成果以“Cascaded nanobeamspectrometer with high resolution and scalability”为题在线发表在Optica。来自华中科技大学的董建绩教授为论文的通讯作者，张佳晖博士为论文的第一作者。论文的合作作者还包括华中科技大学的程资为博士和张新亮教授。该工作得到了中国国家自然科学基金（62075075,61805090）和湖北光谷实验室创新科研项目（OVL2021BG001）的支持。

文章链接：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.453483

Jiahui Zhang, Ziwei Cheng, Jianji Dong, andXinliang Zhang, "Cascaded nanobeam spectrometer with high resolution andscalability," Optica 9, 517-521 (2022)