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光谱仪在现代光学应用中起着举足轻重的作用。 光谱仪的小型化和集成化可以满足各种新兴的光谱分析应用对便携、低成本、体积小和稳定性的需求，例如片上实验系统、细胞组织检测分析甚至配备光谱仪的移动设备都是重要的研究以及近几年的发展方向。

传统的小型化光谱仪一般是利用集成光子技术将传统大型台式光谱仪中的色散元件或滤光片元件小型化而得到的。 计算重构是近年来新兴的光谱仪实现方法。 该方法预先标定入射光场与输出通道之间的映射，然后使用重建算法进行迭代。 但是，现有的这些方案也存在无法按需扩展、不够灵活的缺点，并且基于精细材料工程获取材料光谱响应梯度的方案在材料加工和集成方面复杂度高。 这就带来了成本高、良品率低的问题。

近日，华中科技大学武汉国家光电研究中心张新良教授带领的董建基团队提出并实验证明了一种结合紧凑型纳米束微腔与计算重构的微型光谱仪。 通过将硅基纳米束谐振器阵列与计算重构算法相结合，得到了体积小、易于扩展、易于移植的纳米束光谱仪，如图1所示。利用纳米束谐振器的直通耦合结构，将单个纳米束谐振器单元构建成一个非常小尺寸的宽谱响应单元，并对这些纳米束谐振器的中心谐振频率进行微调光纤光谱仪结构，最后将这样的纳米束单元密集排列，形成纳米束阵列覆盖工作带。 使用这样的纳米束谐振器阵列来检测入射光场，并使用计算重建算法来恢复传输响应的光谱，可以实现光谱仪功能。

图1 纳米束谐振腔阵列光谱仪的工作原理。 (a) 入射光检测； (b) 计算重建恢复。

纳米束谐振器阵列光谱仪可以实现消光比高达30 dB的光谱检测，如图2所示。对于光谱宽度为3 nm和1 nm的单峰输入，间隔为10 nm的双峰输入和5 nm，三角谱和多峰两个广谱输入，纳米束光谱仪可以比较完整地还原广谱形状。 .

图2 传统台式光谱仪检测与纳米束谐振腔光谱仪计算重建结果对比。 (a) 光谱宽度为 3 nm 的单峰输入； (b) 光谱宽度为 1 nm 的单峰输入； (c) 具有三角光谱的广谱输入； (d) 间距为 10 nm 的双峰光谱输入； (e) 具有 5 nm 间距的双峰光谱输入； (f) 多模态广谱输入。

此外，满足需求的纳米束谐振器阵列光谱仪芯片可以根据产品要求和反馈灵活设计和生产，无需过多的重新设计和优化成本，如图3所示。例如，2400 nm波段将使用SOI平台和1.55倍的缩放参数，而1310 nm波段将使用SOI平台和0.85倍的缩放参数。 完成纳米束谐振腔工作波段的迁移后，可以根据波长范围和分辨率进一步确定纳米束阵列的参数。 纳米束光谱仪已显示出作为通用光谱仪芯片的巨大潜力，可以快速定制以实现用于各种应用的商业产品。 与其他光谱仪解决方案相比，在实用性方面具有独特的优势。

图3 定制纳米束谐振器光谱仪芯片工艺

相关研究成果于近期发表在2022年的《ACS Photonics》杂志上光纤光谱仪结构，该工作得到了国家自然科学基金的支持。

论文信息：

Cheng, Z., 等人。 “结合紧凑型纳米束微腔和计算重建的通用模块化光谱仪”。 (2022)。