宽带高分辨率集成光谱仪

撰稿|由课题组供稿

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集成光谱仪提供了紧凑、低成本便携式光谱传感的可能性，是片上实验室（lab on a chip）的关键组件。然而，使用现有的片上设计实现宽光谱范围的高分辨率微型光谱仪是一个巨大挑战。近日，西湖大学李兰研究员团队展示了一种片上时间采样窄带滤波器阵列光谱仪，该光谱仪能够通过光学法布里-珀罗（F-P）腔采集高分辨率光谱，并使用可调谐无限自由光谱范围（FSR-free）滤波器实现大光谱范围。相关成果以“Broadband and high-resolution integrated spectrometer based on a tunable FSR-free optical filter array”为题发表于《ACS photonics》期刊。西湖大学助理研究员孙春雷为论文第一作者。这项工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金面上等项目的资助。

光谱仪在生物化学传感、材料分析、高光谱成像和光源表征等领域有着广泛的应用。开发高性能片上光谱仪有望激活从消费行业到工业技术的众多新应用，包括现场成分分析、即时健康监测，甚至大规模作物监测。自20世纪90年代初以来，基于各种设计和工作原理的集成光谱仪已得到证明。基于色散光学的光谱仪分辨率受光程长度的限制，分辨率难以提高。窄带滤波器光谱仪可以实现高分辨率且结构更加紧凑。然而，光谱范围受到自由光谱范围的限制。傅立叶变换光谱仪（FTS）由于接收的光功率更高，或具有Fellgett优势，因此可以提供更高的信噪比（SNR）。然而，FTS有几个缺点，包括高功耗、大驱动电压、长测量时间和相对大的占地面积。

所有类型的集成光谱仪都有两条技术路径。一种是无电驱动的一次性空间采样方案，适用于大多数材料平台，但牺牲了空间占用。为了获得宽光谱范围和高光谱分辨率，我们必须引入大量物理通道和高性能光电探测器，这将导致相当大的占地面积、制造挑战和操作复杂性。另一种使用可调谐元件进行时间采样，有效地减少了占地面积、光电探测器的数量，并提高了光谱分辨率，但是光谱范围有限。将空间和时间采样相结合是在小空间占用下实现大光谱范围和高光谱分辨率不失为一种创新解决方案。

针对上述挑战，研究团队提出了一种使用可调谐滤波器阵列（TFA）的紧凑型高分辨率宽带集成光谱仪（图1（a））。基本单元是基于双边耦合光栅辅助F-P腔的可调谐滤波器，该滤波器提供FSR-free操作以克服光谱范围限制。滤波器最初设计为等谐振波长间隔。几个单元可以级联以覆盖宽光谱范围，其中每个单元覆盖光谱的一部分。入射光在总线波导中传播，然后几个分离的窄带落入相应的通道中。谐振波长调谐由沉积在F-P腔上的微加热器驱动。通过热调谐在特定光谱范围内实现每个滤波器的波长采样。图1（b）显示了在微加热器上施加的不同电压下谐振波长偏移的示意图。波长偏移与施加热功率成正比。每个通道中的可调谐滤波器可以高分辨率获取相应的光谱信息。如图1（c）所示，可以通过组合从所有信道收集的频谱来检索输入频谱。由于滤波器的FSR-free特性，原则上，通过在单个光链路上级联多个滤波器单元，可以显著扩展光谱仪的光谱范围。

图1（a）基于可调谐滤波器阵列的光谱仪的示意图。插图：滤波器的波导横截面。（b）三个外加电压（0、V1、V2）下光谱仪下载端口的输出光谱示意图。（c）不同外加电压下的光谱图。可以通过组合所有检索到的光谱来恢复原始输入光谱（由虚线表示）。

研究团队研制了由五个和七个滤光器单元组成的光谱仪，并对其进行了实验表征，其分辨率分别为<0.43和<0.51 nm，光谱范围分别为73.2和102.7 nm，如图2所示。作为演示，我们用五通道光谱仪重建了光谱，如图3所示。

图2 （a）不同外加电压下（a）五个通道和（b）七个通道集成光谱仪的透射光谱

图3. 由从五通道集成光谱仪（实线）恢复的光谱，以及商用光谱仪测量的光谱（虚线）。 

研究团队提出并演示了一种使用可调谐FSR-free滤波器阵列的紧凑型高分辨率、大光谱范围集成光谱仪。每个滤波器单元覆盖输入频谱的一部分，可调谐元件的时间采样技术显著减少了物理信道的数量。由于F-P腔的高质量因数，通过微调谐振波长，光谱仪的分辨率大大提高，超过了传统的基于空间采样窄带滤波器的光谱仪。同时，滤波器的FSR-free操作克服了频谱范围限制。

通过引入隔离沟槽，可以显著降低由于热调谐引起的功耗。该光谱仪具有良好的可扩展性，可以扩展到更宽的光谱范围，并且可以通过设计一组覆盖离散波段的滤波器来针对特定应用来灵活配置。这种微型光谱仪在紧凑的占地面积内实现了高分辨率和大光谱范围，预计将对片上实验室中的光谱传感产生重大影响。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsphotonics.2c00538