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16nm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

1.导读

光谱分析在科学研究中是一种重要的方法。传统台式光谱仪所使用的体积庞大的系统具有超高分辨率和超大带宽，但由于其物理尺寸、功耗和昂贵的部件，它们在追求小型化的应用中会遇到各种限制。因此，微型光谱仪在关键集成应用中受到了越来越多的关注。

现有的研究表明，色散型光谱仪和傅里叶变换型光谱仪的分辨率依赖于器件可提供的光程（或光程差），故这两种类型的光谱仪小型化后会造成性能的降低。近年来，通过构建预校准传输谱并求解线性方程组的重建型光谱仪被认为是一种可行的微型化方案。已经被证明，探测单元响应函数的互相关性是限制重建型光谱仪分辨率的主要因素；同时，其响应曲线的宽谱特点限制了工作带宽的灵活性。

近期，来自华中科技大学的张新亮教授团队以“Cascaded nanobeam spectrometer with highresolution 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。

2.创新研究

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0.16nm线宽的窄带信号以及0.32nm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16nm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

3.论文信息

该研究成果以“Cascaded nanobeam spectrometer with highresolution 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, and Xinliang Zhang, "Cascaded nanobeam spectrometer with high resolution and scalability," Optica 9, 517-521 (2022)