Light 新型“光学分子”片上光谱仪
发布日期:2024-09-16 点击次数:
2◆★■■. 设计思路具有可扩展性。在满足特定条件情况下,可以进一步增加待分辨的自由光谱范围数目,进一步扩展工作带宽与通道容量,同时保证较低的功耗。
1. 作者提出了一种完全区别于传统方案的片上光谱仪■◆◆■◆★。不同于可调谐滤波器方案,这一设计不受自由光谱范围限制,因此得以保持高分辨率的同时,极大地扩展工作带宽。不同于计算“光斑”光谱仪,这一设计不依赖于复杂拓扑结构,具有结构简单、尺寸紧凑等优势★◆★★◆◆。
此过程中,需要解决的核心问题是,如何分辨相隔自由光谱范围整数倍的波长通道。对于单谐振腔而言,各个自由光谱范围之内仅包含一个谐振模式,因此无法实现宽带谱重建。当一对谐振腔发生强耦合,各个谐振模式将劈裂为一个对称模式与一个反对称模式(图1c)。这一现象类似于双原子分子中存在的能级劈裂。
鉴于此◆★■,近日,香港中文大学电子工程学系曾汉奇研究小组★★■★,通过采用一种新颖的 ★◆◆“光学分子◆■”结构,结合计算重建方法,实现了一种同时具有高分辨率与大带宽的新型片上光谱仪◆■★。
在热光调谐过程中★■★◆◆◆,输入光谱被滤波采样■★■★★,进而在输出端口生成包含谱信息的信号,最终通过计算重建方法将输入光谱还原(图1b)。
新型片上光谱仪有望克服这些缺陷。这类光谱仪基于集成光子回路,其中各类光学器件均由固态平面波导构成★◆◆■,因此可以实现芯片尺度的密集集成,并可以消除环境扰动的影响。片上光谱仪在智慧医疗■◆■◆★■、地质勘探以及片上实验室(Lab-on-a-chip)等领域具有应用价值,特别对于实现小型化、便携式,甚至可穿戴的智能传感设备具有重要使能意义★■。
传统台式光谱仪基于棱镜或光栅等空间色散元件◆■★,导致其结构尺寸较大,并对机械振动敏感,通常只能用于实验室环境。
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然而,目前已报道的片上光谱仪大多存在分辨率-带宽限制这一共性缺陷。具体来说,对于片上光谱仪,实现较高的分辨率需要较长的波导光程,而这往往会降低输出响应的自由光谱范围,进而影响工作带宽。虽然可以通过采用光子晶体微腔等特殊结构◆■★◆★■,在一定程度上扩展自由光谱范围,但是这类结构加工较为困难◆◆◆,并且调谐效率较低。目前尚无突破这一限制的通用解决方案★★★■■。
这一工作为新型片上光谱仪的研发提供了一种全新思路◆◆★◆★,同时对计算光谱学等研究方向具有启发意义,并可能用于单片集成的光谱传感系统◆◆■。
3. 该工作涉及的概念源于高品质微腔中一种极为常见的现象——模式劈裂。同时◆■★■◆■,结构完全基于集成光子回路中极为常见的单元器件——微环谐振腔。这使得这一方案具有加工简便、通用性强等优势。
用于分解和测量电磁波的谱信息,广泛应用于材料分析、天文观测以及生物医学成像等领域◆■■。
值得注意的是,谐振模式的劈裂强度正比于谐振腔之间的耦合强度。因此◆■■★■,可以通过增强耦合强度的色散■◆■,使得“光学分子”谱线的劈裂强度随波长变化,并基于这一特征,识别位于不同自由光谱范围的波长通道■■■■◆■。具体来说,当热光调谐经过一个自由光谱范围,各个波长通道对应的输出信号均包含一对尖峰;此时,即便对于相隔自由光谱范围整数倍的波长通道,其尖峰之间的间距仍然不同,因此不同波长通道得以去相关(图1d)。
在该工作中,作者实验证实了40pm的谱线nm的工作带宽。同时利用单片集成滤波器生成测试光谱,实验验证了各类特征光谱的高精度重建。