中国科学院南京天文光学技术研究所机构知识库

下一代大规模光谱巡天为天文光谱技术及仪器带来巨大挑战：数万目标光谱同时探测需要上百台大型光谱仪，在仪器规模、环境控制、造价等方面带来巨大问题；在高分辨光谱巡天时，基于传统方案解决上述问题变成几乎无法完成的任务。天文光子学提出将集成光子器件应用于天文领域，给天文光谱仪器研制带来了新的思路，即光谱芯片或芯片化光谱仪。其高度集成的特性让其在降低光谱仪器制造难度、尺寸和成本等方面展示出巨大的潜能。有望应对下一代大规模光谱巡天对光谱仪器的苛刻需求。
光谱芯片的高集成度、小型化、高分辨率、可批量生产和稳定性等优势使越来越多的科研人员投入研究，且朝着追求更高分辨率、更大带宽、更低传输损耗等方向持续发展。然而，地基望远镜在进行天文观测时会受到大气湍流的影响，虽然科学家们为此发明了自适应光学对大气湍流引入的波前畸变进行矫正，但依旧很难做到大视场。所以在大气湍流的影响下，地基天文光谱仪都是使用多模光纤来传输信号。然而，目前集成光子器件主要是单模器件，导致与多模光纤的光耦合效率极低。在这样的背景下，如要将光谱芯片应用在大规模光谱巡天中，发展多模输入光子光谱仪成为一个合适的选择。
本文围绕基于多模输入的光谱芯片展开创新研究，试图为未来大规模光谱巡天项目光谱终端仪器的研制提供参考。本文涉及的主要研究工作如下：（1）提出模式分离相位阵列光谱芯片架构，并完成芯片设计及数值仿真。首先，从模式耦合理论出发，为实现模式分离进行数值仿真分析。接着，分析相位的计算方法，对不同模式传输的相位进行计算，并介绍了两种相位调节的方法。在此基础上确定了芯片结构，对芯片的整体性能进行数值仿真。（2）基于氮化硅工艺研制出模式分离相位阵列型光谱芯片，并开展实验研究。整体芯片尺寸为9.2 mm*0.22 mm，波导厚度为0.15 μm。实验结果表明支持8个模式输入的光谱芯片在1550 nm波长处的分辨率超过150，光效率超过15%。通过研究探明实验中通道能量分布不均和干涉对比度较差的问题。对不同通道的模式转换效率进行了实验测试。结果表明，高阶模在进行模式转换时的效率很容易受加工误差的影响，器件的结构存在一定的局限性。同时对相位误差进行了分析。由于加工误差引入的相位误差和相位计算误差都会对芯片形成的阵列相位带来影响，不能形成稳定的相位阵列，使多光束干涉的结果受到影响。（3）进一步优化器件结构设计应对干涉对比度问题和带宽问题。研究了三种耦合器优化结构，并在TE7模式下进行了数值仿真，对比了不同结构的带宽范围和存在加工误差情况下的传输损耗。