成果概述

近日，浙江大學光電科學與工程學院戴道鋅教授研究團隊提出并實現了一種微型化超精密光譜芯片新方案，基于硅基超精細濾波與寬帶濾波相融合技術實現了具有超高分辨率（高達 5 pm）的超小型片上光譜儀。該研究有望集成于智能手機，在人體健康等領域得到廣泛應用。

該成果以“Ultrahigh-resolution On-chip Spectrometer with Silicon Photonic Resonators”為題發表在《Opto-Electronic Advances》雜志2022年第7期，被選為當期封面文章。論文第一作者為光電學院博士后張龍和寧波研究院助理研究員張明，通訊作者為戴道鋅。

研究背景

光譜儀是實現光譜分析的核心儀器，已在生物傳感、食品藥物檢測、臨床診斷、環境監測等領域發揮了十分重要的作用。傳統光譜儀體積龐大、價格昂貴，其應用場景受到了極大限制。

隨著消費電子時代的到來，儀器便攜性需求越來越高，光譜儀小型化與集成化已成趨勢。特別是，片上光譜儀具有尺寸、重量、功耗及穩定性等方面的先天優勢。而如何突破其分辨率性能瓶頸是未來片上光譜儀應用于智能手機、航天探測等諸多領域的關鍵。

研究亮點

浙江大學光電科學與工程學院戴道鋅教授研究團隊提出了一種將超精細濾波與寬帶濾波相融合的新方案，并基于硅光技術實現了超高分辨率的超小型片上光譜儀（圖1）。特別是，該團隊將歐拉曲線型超高Q微環諧振腔引入作為其超精細濾波器，從而極大地提升了光譜分辨率；與此同時，將級聯雙環陣列引入作為其粗濾波器組件，突破了精細濾波器自由光譜范圍受限而導致的光譜探測范圍問題。

圖1 超高分辨率片上光譜儀結構圖與工作原理圖(原文Figure 1)

該研究團隊成功地制備了尺寸僅為0.35mm2的超小型光譜儀芯片（圖2）。結果表明：該片上光譜儀分辨率為5pm（圖3,4），實現了迄今世界上最高分辨率的色散型片上光譜儀。其工作光譜窗口約10nm，并實現了迄今報道的超小尺寸（<1mm2）片上光譜儀的最高動態范圍（即工作帶寬/分辨率之比高達2000）。

圖2 光譜儀芯片顯微鏡圖(原文Figure 2)

圖3 待測雙峰光譜還原結果圖(原文Figure 5)

圖4 商用布拉格光纖濾波器光譜還原結果圖(原文Figure 6)

總結展望

該成果不僅在性能上突破色散型片上光譜儀分辨率不足的瓶頸，同時其制備與標準的CMOS工藝完全兼容，具備大批量生產的先天條件，最終有望在智能手機等電子設備中實現食物檢測及大氣監測等。

原文鏈接：

https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2022.210100

審核編輯 ：李倩