中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

天文望远镜口径的持续增大不断拓展人类对天体目标的观测深度及观测精度。然而，这对其终端光谱仪器的研制带来了极大挑战，主要体现在仪器尺寸、建造成本和难度、环境控制及运维等方面。近年来，天文光子学利用集成光学的原理和技术来发展极端小型化、高集成、高稳定的天文仪器及器件，被认为是解决上述挑战的最具前景方案之一。天文光子学领域的研究人员在近年持续探索基于集成光子学的光谱芯片技术，并获得众多重要进展。

但是，要将这类光谱技术广泛应用到天文实测还面临众多问题，如高分辨光谱获取、宽带连续光谱探测、相位误差、片上损耗等。本文围绕光谱芯片高分辨、宽光谱、高对比度探测及损耗等方面问题，在关键部件及芯片整体架构方面开展创新设计，提供众多低损耗和宽带光谱芯片的解决方案，可为发展实用的天文光子光谱芯片做参考。本文涉及的主要的研究工作和创新成果如下：
（1）针对高分辨光谱芯片架构及性能提升进行了相关研究。采用高斯近似的数值模拟方法构建数值模型，分析了在不同条件下的干涉光谱，研究了加工误差对光谱的影响，并对加工误差的来源进行了细致的分析。提出了选择合适的材料和波导构型等方式有效地降低波导有效折射率随加工宽度变化的影响，优化了光谱级次来提升光谱的利用效率。提出了两种超高分辨率光谱芯片构型和一种超宽带连续光谱探测装置，为高分辨光谱芯片的实现提供了全新的可能性。
（2）针对高性能1×N分光器及相关光谱芯片进行了研究，提出了多种调制输出光分布类型的方法及结构。在薄膜铌酸锂平台上利用飞秒激光光刻辅助化学机械抛光的加工方式，制作了低损耗的1×16/40平坦型分光器。实验中测得的损耗分别为1.43 dB和1.94 dB。在此基础上设计了级联相位型的光谱芯片，实验测得光谱的自由光谱范围为2.55 nm，分辨率约为15550。利用非对称锥形多模干涉组合的方式调制输出光的分布类型，在氮化硅平台上获得了均分型、泰勒型、曲线型的输出分布，并设计制作了高分辨率光谱芯片，测得光谱的自由光谱范围为2.755 nm，分辨率为22142，光谱对比度约为16.98 dB，输出光谱的级次只有1-2个。最后，提出了使用反向锥型波导阵列耦合的方式来解决阵列波导光栅加工中存在的主要损耗问题，设计了对应的高分辨率光谱芯片。
（3）针对低损耗宽带的1×2分光器及相关光谱芯片展开了研究，提出了多种分光器及光谱芯片构型。利用非对称锥形波导来实现大带宽下低损耗和低相位差输出的1×2分光器。实验测得的分光比（Power Splitting Ratio, PSR）在50%:50% ~ 75%:25%范围内变化，片上损耗在0.2 ~ 0.4 dB之间。提出了使用S型波导和锥形波导组合的方式，使得分光器的PSR可以在50%:50% ~ 90%:10%范围内变化，在300 nm（1.4~1.7 μm）范围内能够获得稳定的输出，损耗均低于0.2 dB。提出了利用曲线型反向锥耦合的超宽带1×2分光器， PSR可以在50%:50% ~ 100%:0%之间连续变化，在600 nm（1.4~2 μm）范围内能够获得超稳定的输出，损耗均低于0.24 dB。提出了利用反向锥结构实现模式复用器件的设计和多种级联1×2分光器的低损耗、宽带光谱芯片结构。
（4）针对新构型宽带光谱芯片及波分复用器件进行了研究。提出了利用在弯曲的单波导中刻蚀周期性的倾斜型光栅结构，并向其中填充如低折射率或者高折射率材料，来实现多种小型化光谱芯片和波分复用器件的制作。器件可以在1.25~1.55 μm波段内工作，在100×100 μm2尺寸内能够实现光谱分辨率优于100。提出了利用超薄波导设计一种空间聚焦型的高分辨率光谱芯片，以及利用亚波长光栅结构和全反射结构，在绝缘体上硅平台设计了超紧凑型的光谱芯片。