中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

光谱学在天文学、生物学、化学、通信等许多领域有着越来越广泛的应用。而光谱仪作为光谱分析的常用仪器，其发展备受瞩目。在天文探测中，下一代光学天文设备（包括 30 米级望远镜及其终端仪器）在仪器复杂性、尺寸以及成本方面带来了巨大挑战，因为传统光学仪器的造价通常与仪器光学口径的平方甚至立方成正比。此外，在空间探测中，对仪器的要求更为苛刻，不仅需要仪器简便且精度高，还在能耗和体积方面受到严格限制。因此，研究尺寸最小化、成本降低和功耗降低的光谱仪成为未来天文探测的重要研究方向。而集成度高、尺寸小、能耗低的计算重构光谱仪或能成为一种有效的解决方案。在此类光谱仪中，通常是通过几十个通道进行探测，而通道的数量与光谱仪的性能息息相关。探测通道数量少意味着采样不足，性能差（如分辨率低、精度低和带宽窄）。本论文研究了几种计算重构类光谱芯片，以最小的结构尺寸获得至少两个量级检测通道数目提升，并在分辨率和探测带宽上获得极大提升，主要结果如下：
（1）研究了多模波导表面缺陷散射，并在上表面进行二维光场探测的计算重构类光谱芯片。该光谱芯片探测器设置在波导的上表面上，实现二维光场探测，使得即使在小的结构尺寸内也可以实现数目较多的检测通道，这使得同时实现高分辨率和宽带检测成为可能。模拟研究表明，这种光谱仪可以显示出1000 nm的带宽，范围从600到1600 nm。此外，通过精细采样，在850至852nm的范围内实现了0.2nm的分辨率。同时还研究了影响光谱仪性能的因素。这项工作为实现片上、高分辨率和宽带光谱仪提供了可能性。
（2）研究了一种基于多模波导表面金属粒子散射，并在上表面进行二维探测的计算重构光谱芯片。仿真时使用了多种金属Au、Ag、Cu、Al，均有不错表现，工作带宽为1.0-1.6μm，分辨率达0.1nm。最终加工时选择的为Au纳米颗粒，并且加工了四种波导宽度不同的光谱芯片，分别为4μm、8μm、12μm、16μm，并逐一对其性能进行测试。前三种芯片可实现间隔0.2nm双峰分辨，无宽谱重构能力。最后一种芯片可实现间隔0.4nm的双峰分辨，有一定的宽谱重构能力。这项工作为实现片上高分辨提供了可能。
（3）研究了一种基于随机结构波导干涉探测的计算重构类光谱仪。通过探测二维干涉光场，将探测通道数提高两个数量级，与通道探测相比，芯片性能大大提升。该结构为1×10结构，利用仅10根波导获得了不错的性能。仿真时，工作带宽为1520-1560nm，通过通道探测，实现分辨率为9nm，而干涉探测能将分辨率进一步提升为3.2nm。随后通过实验测试，其通道探测分辨率大于10nm，无法实现光谱重构。而干涉探测在整个工作波段分辨率3.2nm，并且在1550nm 附近2.6nm带宽内，实现分辨率为0.6nm。相较于通道探测，干涉探测性能有极大提升，并且能实现宽谱重构。这项工作提出了新的探测方式，在不改变器件复杂度的情况下，大大提升了光谱芯片性能，为计算重构光谱性能提升提供一种解决方案。