一种微型化超精密光谱芯片新方案

成果概述
近日，浙江大学光电科学与工程学院戴道锌教授研究团队提出并实现了一种微型化超精密光谱芯片新方案，基于硅基超精细滤波与宽带滤波相融合技术实现了具有超高分辨率（高达 5 pm）的超小型片上光谱仪。该研究有望集成于智能手机，在人体健康等领域得到广泛应用。
该成果以“ultrahigh-resolution on-chip spectrometer with silicon photonic resonators”为题发表在《opto-electronic advances》杂志2022年第7期，被选为当期封面文章。论文第一作者为光电学院博士后张龙和宁波研究院助理研究员张明，通讯作者为戴道锌。
研究背景
光谱仪是实现光谱分析的核心仪器，已在生物传感、食品药物检测、临床诊断、环境监测等领域发挥了十分重要的作用。传统光谱仪体积庞大、价格昂贵，其应用场景受到了极大限制。
随着消费电子时代的到来，仪器便携性需求越来越高，光谱仪小型化与集成化已成趋势。特别是，片上光谱仪具有尺寸、重量、功耗及稳定性等方面的先天优势。而如何突破其分辨率性能瓶颈是未来片上光谱仪应用于智能手机、航天探测等诸多领域的关键。
研究亮点
浙江大学光电科学与工程学院戴道锌教授研究团队提出了一种将超精细滤波与宽带滤波相融合的新方案，并基于硅光技术实现了超高分辨率的超小型片上光谱仪（图1）。特别是，该团队将欧拉曲线型超高q微环谐振腔引入作为其超精细滤波器，从而极大地提升了光谱分辨率；与此同时，将级联双环阵列引入作为其粗滤波器组件，突破了精细滤波器自由光谱范围受限而导致的光谱探测范围问题。
图1 超高分辨率片上光谱仪结构图与工作原理图(原文figure 1)
该研究团队成功地制备了尺寸仅为0.35mm2的超小型光谱仪芯片（图2）。结果表明：该片上光谱仪分辨率为5pm（图3,4），实现了迄今世界上最高分辨率的色散型片上光谱仪。其工作光谱窗口约10nm，并实现了迄今报道的超小尺寸（<1mm2）片上光谱仪的最高动态范围（即工作带宽/分辨率之比高达2000）。
图2 光谱仪芯片显微镜图(原文figure 2)
图3 待测双峰光谱还原结果图(原文figure 5)
图4 商用布拉格光纤滤波器光谱还原结果图(原文figure 6)
总结展望
该成果不仅在性能上突破色散型片上光谱仪分辨率不足的瓶颈，同时其制备与标准的cmos工艺完全兼容，具备大批量生产的先天条件，最终有望在智能手机等电子设备中实现食物检测及大气监测等。
原文链接：
https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2022.210100