提升片上计算光谱仪性能和可靠性的创新逆向设计方法
2024-11-10 11:22:23   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

集成式单次曝光光谱仪具有快速、准确重建未知光谱的优势，适合集成到低功耗的便携式设备中进行实时监测和分析。硅光子技术具有丰富的组件库和众多成功的传感应用，是实现光谱仪的一种有前景的平台。传统的集成式单次曝光光谱仪依赖于在不同波长下工作的窄带滤光组件；因此，光谱成分可以在空间上被分离并独立测量。虽然这一原理简单明了，但是其对制造不确定性的高敏感性、低光谱分辨率、有限带宽和低动态范围严重阻碍了商业产品的开发。

最近，采用无序光子介质的计算单次曝光光谱仪（CSSS）已成为应对这些挑战的一种有前景的解决方案。其核心元件，即无序光子结构（DPS），旨在生成入射光谱的多个随机样本。随后，利用先进的算法对采样结果进行后处理，即可通过计算方式重建光谱。值得注意的是，计算光谱仪并非使用多个无序光子介质，而是使用了具有多个时域响应的单一无序光子介质。

图1a至1c展示了一些基于无序光子芯片的计算单次曝光光谱仪示例。然而，从中可以观察到，这些无序光子结构都是通过暴力（brute force）随机设计的，很少或根本没有对结构参数进行优化。这极大地限制了高可靠器件的开发，因为暴力随机设计方法不可避免地会导致光谱仪出现不可控、不可重复和性能不理想的情况。此外，这些无序光子结构设计还存在一些关键的不利影响，包括带宽限制、巨大的损耗、强烈的背反射以及缺乏单片集成能力等。

图1 基于无序光子芯片的计算单次曝光光谱仪示例及其光谱重建

据麦姆斯咨询报道，南京航空航天大学李昂教授和潘时龙教授等联合浙江大学杨宗银教授组成的研究团队为可用作计算单次曝光光谱仪的新型无序光子结构引入了一种可靠的设计方法，以解决这些关键问题。该设计方法采用了一种被称为粒子群优化（PSO）的生物启发逆向算法，这是专门为计算光谱仪量身定制的。新型无序光子结构与硅光子平台可完全集成，展示了其具有成本效益的大规模制造潜力。与暴力随机设计方法相比，本研究所提出的设计方法使光谱分辨率显著提高了12倍，无序光子结构光谱响应的交叉相关性（CC）降低了4倍。上述研究成果以“Innovative Inverse-Design Approach for On-Chip Computational Spectrometers: Enhanced Performance and Reliability”为题发表于Engineering期刊。

之前的计算单次曝光光谱仪采用基于散射、吸收和反射等效应的无序光子结构。因此，它会产生一些不利影响，包括插入损耗高、背反射强、带宽有限、光谱交叉相关性大以及缺乏单片集成能力等。研究团队提出利用干涉效应为计算光谱仪构建无序光子结构。图2a所示的结构称为无序干涉仪，可视为输入和输出之间具有多个耦合点的并行波导配置。图2b显示了由无序干涉仪阵列构成的光谱仪。多级Y结（Y-junction）树作为1 × N功率分配器，以实现紧凑的占位面积、宽带宽和低功率不平衡。

图2 无序光子芯片的新型架构

研究团队提出利用粒子群优化算法在系统级对大量参数进行逆向优化。粒子群优化是一种基于种群的优化算法，其灵感来自鸟群或鱼群的社会行为。在粒子群优化算法中，粒子群代表优化问题的潜在解决方案，并在搜索空间中移动以寻找最优解。在每次迭代中，每个粒子都会根据其最佳位置（个体最佳）和粒子群确定的最佳位置（群体最佳）更新其位置和速度。该算法还保留了随机探索的能力，以避免陷入局部最优状态。每个无序干涉仪都能够单独优化，同时考虑了其在系统内的相关性，从而能够有效地实现光谱仪所需的性能。

研究人员利用光刻技术在220 nm厚的硅结构层上制造了一个由64个无序干涉仪构成的光谱仪。光谱仪的总占位面积约为4.0 mm × 1.6 mm。每个无序滤光片的占位面积约为600 μm × 100 μm。相比之下，Y结树占据了约为4.0 mm × 0.4 mm的空间，由于研究人员对Y结进行了逆向设计，使其小至1.2 μm × 2.0 μm，比传统的2 × 2多模干涉仪（MMI）小100多倍，因此显著减少了占位面积。为了测量每个通道的透射光谱和测试光谱仪的光谱重建质量，研究人员使用两种实验配置对该芯片进行了表征，如图3所示。

图3 用于本研究开发的光谱仪性能表征的实验设置

图4a和4b分别显示了器件结构的显微图像和封装芯片的照片。功率分配器由多级Y结树构成。紧凑型Y结也使用粒子群优化算法逆向设计，以确保宽带宽和低功率不平衡。利用步长为1 pm的1480 nm（受激光源限制）至 1600 nm（受光栅耦合器限制）的可调谐激光源和低噪声光电探测器对该芯片进行了表征，结果如图4c至4f所示。

图4 本研究所开发的光谱仪芯片及表征

为了评估所开发的光谱仪的光谱分辨率，研究人员使用宽带超发光二极管（SLD）源（110 nm 3 dB带宽，波长约1550 nm）和在不同波长下具有不同的通带的光纤布拉格光栅（FBG）生成光谱。FBG反射光谱被传输到芯片进行重建。图5a和5b描述了重建结果，这些结果证实了光谱仪准确重建宽带分量的能力。

为了演示所开发的光谱仪的实际应用，研究人员将其用作FBG传感器的光谱分析仪。FBG可用作温度传感、应变传感、结构监测和火灾报警等传感器，跟踪环境变化引起的通带偏移。因此，需要一个高分辨率的宽带光谱仪来准确跟踪宽光学范围内的光谱偏移。研究人员通过增加周围温度或施加应力使0.2 nm宽的FBG发生光谱偏移。结果如图5c和5d所示，表明该光谱仪可以分辨0.2 nm的微小变化。这证明了该光谱仪在温度、应力和火灾传感器等各种传感应用中与FBG结合使用的潜力。

图5 光谱重建结果

综上所述，这项研究提出了一种可靠的高性能计算单次曝光光谱仪（CSSS）逆向设计方法。利用这种方法，研究人员开发了一种采用基于干涉效应的新型无序光子芯片与硅光子平台集成的光谱仪。这种方法显著提高了光谱分辨率，降低了结构间的交叉相关性（CC）。这种方法也可应用于其它结构，有潜力比随机方法提供改进的性能。研究人员还展示了所开发的光谱仪作为FBG传感器光谱分析仪的实际应用。这项研究标志着硅集成式光谱仪在商业产品开发方面取得了重大进展，为各种应用提供了高性能和可扩展的解决方案。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.07.011

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