光譜儀在現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用中擁有舉足輕重的作用，光譜儀的小型化和集成化發(fā)展可以滿足各種新興光譜分析應(yīng)用對(duì)便攜性、低成本、小尺寸、穩(wěn)定性的需求，如片上實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、細(xì)胞組織檢測(cè)分析乃至移動(dòng)設(shè)備搭載光譜儀等，是近年來重要的研究和發(fā)展方向。

傳統(tǒng)的小型化光譜儀一般通過將傳統(tǒng)的大型臺(tái)式光譜儀中的色散元件或者濾波元件使用集成光子技術(shù)小型化后得到。光譜計(jì)算重建（Computational reconstruction）是近年來新興的一種光譜儀的實(shí)現(xiàn)方法，這種方法通過對(duì)入射光場(chǎng)和輸出通道間的映射進(jìn)行了預(yù)先標(biāo)定，再使用重建算法進(jìn)行迭代。然而，現(xiàn)有的這些方案也都存在著無法根據(jù)需求擴(kuò)展、不夠靈活的缺點(diǎn)，而基于精細(xì)的材料工程獲得材料光譜響應(yīng)漸變的方案在材料的加工和集成上都有很高的復(fù)雜度，由此帶來了高成本和低產(chǎn)率等問題。

近日，華中科技大學(xué)武漢光電國(guó)家研究中心張新亮教授團(tuán)隊(duì)董建績(jī)等人提出并實(shí)驗(yàn)證明了一種結(jié)合緊湊納米梁微腔和計(jì)算重建的微型光譜儀。通過將硅基納米梁諧振腔陣列與計(jì)算重建算法相結(jié)合，得到了兼顧小尺寸、易擴(kuò)展、易移植的納米梁光譜儀，如圖1所示。使用納米梁諧振腔的直通耦合結(jié)構(gòu)，將單個(gè)納米梁諧振腔單元構(gòu)造成了極小尺寸的寬譜響應(yīng)單元，并精細(xì)調(diào)節(jié)這些納米梁諧振腔的中心諧振頻率，最后將這樣的納米梁?jiǎn)卧芗帕袠?gòu)成覆蓋工作波段的納米梁陣列。使用這樣的納米梁諧振腔陣列對(duì)入射光場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)，并對(duì)傳輸響應(yīng)使用計(jì)算重建算法進(jìn)行光譜還原，即可實(shí)現(xiàn)光譜儀功能。

圖1 納米梁諧振腔陣列光譜儀工作原理。(a)入射光探測(cè)；(b)計(jì)算重建還原。

納米梁諧振腔陣列光譜儀可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)30 dB消光比的光譜探測(cè)，如圖2所示。對(duì)于譜寬分別為3 nm和1 nm的單峰輸入、間隔分別為10 nm和5 nm的雙峰輸入以及三角形光譜和多峰兩種寬譜輸入，納米梁光譜儀能夠較為完整地還原寬譜形狀。

圖2 傳統(tǒng)臺(tái)式光譜儀探測(cè)與納米梁諧振腔光譜儀計(jì)算重建結(jié)果對(duì)比。(a) 譜寬為3 nm的單峰輸入；(b) 譜寬為1 nm的單峰輸入；(c) 三角形光譜的寬譜輸入；(d) 間距為10 nm的雙峰光譜輸入；(e) 間距為5 nm的雙峰光譜輸入；(f) 多峰寬譜輸入。

此外，可以根據(jù)產(chǎn)品需求和反饋靈活地設(shè)計(jì)和生產(chǎn)滿足需要的納米梁諧振腔陣列光譜儀芯片，而不需要額外花費(fèi)過多重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化的成本，如圖3所示。如2400 nm波段將使用SOI平臺(tái)和1.55倍的放縮參數(shù)，而1310 nm波段將使用SOI平臺(tái)和0.85倍的放縮參數(shù)。在完成納米梁諧振腔工作波段的遷移后，則可以進(jìn)一步根據(jù)波長(zhǎng)范圍和分辨率確定納米梁陣列參數(shù)。納米梁光譜儀展現(xiàn)了作為一種可以快速定制的通用光譜儀芯片，實(shí)現(xiàn)面向各類應(yīng)用的商業(yè)化產(chǎn)品的巨大潛力，相較于其他光譜儀方案在實(shí)用性范疇上擁有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖3 納米梁諧振腔光譜儀芯片定制化產(chǎn)品流程

相關(guān)研究成果近期發(fā)表在2022年的《ACS Photonics》期刊上，該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。