导读

在光谱分析领域，实现设备的小型化、高分辨率和宽波段覆盖一直是科研人员面临的重大挑战。最近，由上海交通大学苏翼凯/郭旭涵课题组及剑桥大学和浙江大学的合作者在这一领域取得了突破性的进展。他们开发了一种新型的微型无序光子分子光谱仪芯片，该芯片不仅在70×50 μm²的超紧凑尺寸下实现了8 pm的超高光谱分辨率，而且覆盖了超过100 nm的宽带宽，克服了目前计算光谱仪领域物理尺寸-分辨率-可测带宽三方固有制衡约束。

该成果发表于《Light: Science & Applications》，题为“Miniaturized Disordered Photonic Molecule Spectrometer”。

研究背景

光谱仪作为分析物质成分的重要工具，在化学、生物、医疗、环境监测等多个领域都有着广泛的应用。新兴的计算光谱仪领域发展迅速，为现场或便携式测量提供了一种高度微型化的片上系统，然而其性能通常受限于其硬件编码器部分。实现高光谱分辨率需要较长的光路长度以达到足够的光谱去相关性，使得器件物理尺寸变大，导致可探测范围有限，这限制了其在便携式和实时现场应用中的使用。因此，开发一种可以克服物理尺寸、分辨率和带宽之间固有的相互依存关系的微型化光谱仪成为了该领域的一个重要挑战。

创新研究

为了克服这一难题，研究团队采用了一种创新的方法，利用了一种无序光子分子系统。这种设计借鉴了三体问题的混沌特性，如图1(a)所示。对于多原子异核光子分子，整合尺寸不同的光子原子会导致超模数量急剧膨胀，从而改善整体光谱的锐利度和多样性。更多地，几何和拓扑结构的变化会打破空间对称性，超模模式劈裂强度依赖于波长，完全解除了模式简并性。通过这种方式，谐振腔中由于自由光谱限制（FSR）导致的强周期性可以得到显著抑制（图1(b)）。

图1. (a) 一体、二体和三体引力系统，以及相应的、类似的光子原子或分子系统；(b) 周期性关于同核和异核光子分子中光子原子数量的函数。

利用多个微盘光子原子之间相互的复杂模式杂化效应，在波长域产生了大量无序和混沌的光子分子轨道。通过对器件进行线性扫描外部加热功率，生成了具有高度无序行为的准随机响应矩阵，如图2.a所示。响应矩阵的列正交性由自相关函数评估，达到~0.1的水平；行相关性由互相关函数评估，达到低于0.1的水平；基于微盘谐振腔和光子分子配置的高Q特性，由相关函数预估的光谱分辨率低至8 pm（图2.b, c, d）。

图2. (a) 线性扫描加热功率下的响应矩阵，放大部分显示不加热情况下的器件透射光。(b) 预估分辨率；(c) 矩阵互相关函数；(d) 矩阵自相关函数。

基于高质量的响应矩阵，实验证明了超过100 nm 的宽可测带宽和8 pm的超高光谱分辨率，同时满足了瑞利判据，如图3(a)所示，器件尺寸仅为70×50 μm²。这种高分辨率的实现，得益于光子分子系统中高度无序的锐利共振峰，这些共振峰提供了丰富的光谱信息，使得设备能够分辨非常接近的光谱线。器件性能和其他片上光谱仪的对比展示在图3(b)，达成了创纪录的超低低分辨率和尺寸值乘积这一性能指标，和高达12500的带宽/分辨率指标。

图3. (a) 光谱分辨率； (b) 性能比较。

总结与展望

这种无序光子分子光谱仪的采样通道是在时域创建的，只需一个空间通道，进一步缩小了物理尺寸，并大大提高了片上集成度。采样通道可以灵活调整，以适应各种应用场景。通过优化耦合形式，可以进一步实现更宽的工作带宽和更高的带宽分辨率比，直至绝缘体上硅材料的带隙极限。这种无序光子分子光谱仪的设计克服了微型光谱仪配置中典型的分辨率、操作带宽和器件占地面积之间的固有三方性能制衡约束，为微型片上光谱仪便携式生物医疗和原位检测应用带来了希望。

上海交通大学博士生张钰嘉为第一作者，剑桥大学博士后Tom Albrow-Owen，上海交通大学博士生赵振宇，浙江大学博士生陈银鹏为共同第一作者，上海交通大学郭旭涵教授，苏翼凯教授，剑桥大学Tawfique Hasan教授，浙江大学杨宗银教授为通讯作者。研究工作得到了区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室、上海交通大学先进电子材料与器件研究中心（AEMD）和联合微电子中心（CUMEC）、国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科技重大专项的支持。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01705-w