背景介绍：
傅里叶变换光谱仪（Fourier transform spectrometer, FTS）通过调整光程差来调制输入光以产生干涉图，并通过对干涉图作傅里叶变换还原光谱。由于具有Fellgett优势（复用）和Jacquinot优势（高光通量），FTS可以实现更高的信噪比（SNR）。基于微机电系统（MEMS）的片上FTS由于受限于执行器的行程范围，难以实现高分辨率。空间外差（Spatial heterodyne）FTS采用一系列臂长差线性增加的非对称马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer，MZI）来产生干涉图，这种FTS可以实现很高的分辨率，但其工作带宽受限于MZI的数量。时间外差（Temporal heterodyne）FTS通过热光或电光效应改变MZI两臂的折射率来连续调节光程差，从而产生时域上的干涉图。TH-FTS可以在保持Jacquinot优势的同时提供高分辨率和宽工作带宽。与热光效应相比，电光效应具有更短的响应时间和能耗，因此基于电光效应的TH-FTS可以提供快速和低功耗的光谱测量。然而，目前基于铌酸锂（LN）的TH-FTS通常具有很高的Vπ，导致其分辨率有限，只有几十纳米。
集成光学器件研究室
工作介绍：
最近，本团队提出了一种薄膜铌酸锂片上傅里叶变换光谱仪，该光谱仪有一对折叠的调制臂，长度为15.34 cm，电极长度为11.2 cm。通过对电极施加―100 V至100 V的扫描电压，我们测量了光谱仪在1530 nm至1560 nm的7种不同波长下的干涉图，得到了不同波长下的半波电压和半波电压的色散方程。结果表明，在1550 nm波长处，光谱仪的半波电压为0.266 V。最后，结合半波电压的色散方程，对干涉图作傅里叶变换，我们还原了不同波长的入射光的光谱。这7种不同波长的光谱显示出几乎相同的半峰全宽（full width at half maximum，FWHM），约为5.32 nm。此外，我们还演示了宽带光谱的测量和亚微秒的响应时间。该成果以“On-chip Fourier transform spectrometer on thin film lithium niobate”为题发表在Journal of Lightwave Technology上。
我们提出的FTS的结构示意图如Fig.1（a）所示，该器件由两个1×2多模干涉仪（MMI）和两条螺旋折叠的少模波导（FMW）组成一个MZI。螺旋波导的弯曲半径设置为500 μm以抑制高阶模的激发和减少弯曲损耗，在光谱仪的输入端和输出端有两条1.3 μm宽的单模波导（SMW）用来滤除高阶模。电极以推挽式结构布置，这样在施加电压时能在两臂产生相反的折射率变化，从而提高调制效率。由于在一些位置电极需要跨过波导，我们制作了一层BCB作为包层以减少电极对光场的吸收损耗。为了提高调制效率，我们移除了调制区域的部分BCB，这样电极可以直接放置在LN上。仿真结果表明，将BCB图案化后，器件的VπL从3.54 Vcm减小到了2.91 Vcm，调制效率提高了18%。
我们在一个芯片上制作了3个不同的光谱仪，如Fig.2所示，分别标记为S1、S2和S3，它们的臂长（电极长度）分别为5.12 cm（3.1 cm）、10.23 cm（7.3 cm）和15.34 cm （11.2 cm）。我们首先测量了三个器件的透射谱，如Fig.3（a）所示。经线性拟合，制作的波导在1550 nm处的传输损耗约为1.02 dB/cm。
为了得到器件的半波电压色散方程，我们将七个不同波长的激光依次输入到光谱仪中，同时在电极上施加了―100 V至100 V的扫描电压，测量结果如Fig.4所示。三个光谱仪在1550 nm处的半波电压分别为1.0039 V、0.4182 V和0.2660 V，半波电压长度积分别为3.11 Vcm、3.05 Vcm和2.98 Vcm，和仿真结果基本一致。根据测量结果，我们拟合出了半波电压的色散方程。根据色散方程，我们对从三个光谱仪得到的干涉图作傅里叶变换还原了输入的光谱，如Fig.5所示。三个光谱仪得到的光谱的FWHM分别为23.1 nm、7.49 nm和5.32 nm，根据Rayleigh判据，这些值可以看成是这几个光谱仪的分辨率。
此外，我们还演示了三个光谱仪对宽带光谱的还原性能，测量结果如Fig.6所示。从测量结果中可以看出，S2和S3都能很好地还原输入的宽带光谱。最后，我们测量了S3的响应时间，结果如Fig.7所示，上升和下降时间分别为60.54 ns和61. 74 ns，这表明器件的单次测量时间只需数百纳秒，可以提供快速的光谱测量。
集成光学器件研究室
综上，我们提出了一种薄膜铌酸锂平台上的TH-FTS，该光谱仪的分辨率为5.32 nm，带宽超过了100 nm。上升和下降时间分别为60.54 ns和61.74 ns，可以实现百纳秒量级的快速光谱测量。我们相信该光谱仪可以成为薄膜铌酸锂平台上的一个重要的组件。
本团队的姚昊博士为文章的第一作者，他的研究方向为基于薄膜铌酸锂的集成光学器件。
陈开鑫教授为文章的通讯作者，陈开鑫教授长期致力于研究有源和无源的集成光波导器件，包括光开光、调制器、模式（解）复用器和延迟线等。陈开鑫教授所带领的团队是国内较早开展薄膜铌酸锂集成光学器件研究的团队之一。
论文链接：
https://doi.org/10.1109/JLT.2024.3408237
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