论文标题：Innovative Inverse-Design Approach for On-Chip Computational Spectrometers: Enhanced Performance and Reliability

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.07.011

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一、研究背景与现存问题

集成光谱仪需求

单次测量集成式光谱仪可快速精确重构未知光谱，适合集成到功耗敏感的便携式设备，硅基光子学因器件库丰富、传感应用成熟，成为理想技术平台。

传统光谱仪缺陷

传统集成式单次测量光谱仪依赖窄带光学元件，通过空间分离实现光谱独立测量，存在制备敏感性高、分辨率低、带宽窄、动态范围小等问题，阻碍商业应用。

无序光子介质光谱仪现状

采用无序光子介质的单次测量计算式光谱仪（CSSSs）是有效解决方案，核心元件无序光子结构（DPSs）可实现入射光谱多样化随机采样，但现有 DPSs 采用穷举式随机化设计，导致光谱仪性能不可控、不可复现、非最优，且存在工作带宽受限、插入损耗过高、背向反射严重、难单片集成等缺陷。

图1 （a）~（c）基于无序光子芯片的单次测量计算式光谱仪示例，其结构参数采用暴力随机方法确定；（d）~（g）四个随机设计光谱仪的光谱重建效果对比图。

三、研究方法与创新点

（一）新型无序光子芯片架构

设计原理

创新性利用干涉效应构建 DPSs，而非传统的散射、吸收及反射效应，结构为输入/输出端间具有多耦合点的并行波导阵列，输出光谱由多光路干涉效应决定。

参数调控

通过精确调控上下波导臂的延迟长度（L₁, L₂）及各耦合点的强度系数（κ），实现传输光谱特性定制化设计；N 个耦合点的无序干涉仪可提供 3N 个独立设计参数，保证光谱响应随机性与差异性。

功率分束器设计

采用多级 Y 型分支树结构作为 1×N 功率分束器，经逆向设计后，尺寸仅 1.2μm×2μm，超紧凑，带宽超 80nm，功率失衡度可忽略，最小特征尺寸超 200nm，适配常规制备工艺。

耦合点数量设定

单个无序干涉仪设 9 个耦合点，含 27 个可调设计参数，需协同优化各无序干涉仪以实现系统级性能指标，逆向设计方法可高效全局优化高维参数空间。

图2 （a）所提出的宽带滤波器结构示意图；（b）由宽带滤波器阵列构成的单次测量光谱仪概念布局；（c）不同粒子数下粒子群优化算法的收敛速率；（d）随机设计与逆向设计滤波器自相关函数的半高全宽（full-width-half-maximum, FWHM）对比；（e）随机设计与逆向设计滤波器光谱响应的互相关性对比；（f）64个滤波器的仿真响应等高线图；（g）~（h）逆向设计与随机设计光谱仪的性能对比：（g）窄带光谱重建效果，（h）宽带光谱重建效果。FoM (figure of merit)：优质因数；Δλ：波长分辨率

（二）逆向设计方法（基于粒子群优化算法，PSO）

PSO 算法原理

基于群体智能，模拟鸟群协同觅食、鱼群集群游弋行为，种群中粒子代表优化问题潜在解，通过迭代根据个体最优位置和群体最优位置更新速度与位置，引入随机搜索机制避免局部最优。

关键方程

参数设置

种群规模 100 个粒子，总迭代次数 60 次，耦合比约束 0.05-0.95，延迟长度差限制 0-50μm，仿真光谱范围 1500-1600nm，波长步长 10pm。

优质因数（FoM）构建

（三）创新点

设计范式突破

将逆向设计方法从单一简单器件拓展至多组件耦合系统，实现复杂光谱响应特性的系统级优化，此前 PSO 仅用于单一简单器件优化，未在多器件耦合系统应用。

性能提升

相比传统随机设计，光谱分辨率提升 12 倍，滤波器间互相关值降低至 1/4，且器件近乎零光学损耗、超高灵敏度，性能稳定可靠、结果可复现，结构参数可精确调控。

结构优势

基于干涉效应，采用纯波导元件，在数百纳米带宽内损耗可忽略、无背向反射、不受带宽限制，且可单片集成，适合低成本大规模量产。

四、实验结果

（一）芯片制备与封装

制备工艺

采用光学光刻技术在 220nm 厚硅基结构层制备含 64 个无序干涉仪的光谱仪芯片，整体尺寸约 4mm×1.6mm，单个无序滤波器尺寸约 600μm×100μm。

封装方案

采用双光纤阵列永久耦合光栅耦合器封装，集成高精度温控模块。

图3 （a）光谱仪的各通道静态透射光谱测量装置示意图；（b）光谱仪光谱重建质量测试装置示意图。FBG：光纤布拉格光栅；SLD：超辐射激光二极管。

（二）测试系统与参数

测试装置

包括通道透射光谱测量系统和光谱仪重建质量测试系统，使用可调谐激光器（扫谱范围 1480-1600nm，步长 1pm）、低噪声光电探测器系统，光纤阵列输出端接 MEMS 开关实现通道电控切换（每通道切换 100ms，全通道扫描约 6.4s）。

关键参数实测

光纤 - 芯片耦合中心波长 1525nm（设计值 1550nm），10dB 带宽约 80nm；64 个通道透射光谱呈高度随机性，较长波长（>1580nm）因光栅耦合器带边效应透射率降低且有纹波；各通道自相关曲线半高全宽（FWHM）约 0.4nm，与仿真吻合，120nm 光谱范围内通道间互相关值维持低水平。

（三）光谱重建性能

窄带光谱重建

成功重建中心波长 1500nm、1525nm、1550nm、1580nm，带宽 0.2nm 的 FBG 反射光谱，1500nm、1525nm、1550nm 处 FWHM 达 0.2nm，1580nm 处因带边效应有失真但波长定位准确。

宽带光谱重建

准确重建 25nm 和 10nm 带宽的啁啾 FBG 反射光谱。

光谱偏移检测

可清晰追踪 0.2nm 的 FBG 光谱偏移，验证在温度、应力、火灾等传感系统的应用潜力。

密集光谱重建

能准确重建 1nm 宽度的 FBG 透射光谱凹陷响应，可识别寄生旁瓣，虽精度较稀疏光谱低，但具备检测量化密集光谱特征的能力。

图4 （a）器件结构的显微图像；（b）封装芯片实物照片；（c）直波导的实测透射光谱；（d）64通道透射光谱三维分布图；（e）各通道自相关曲线的半高全宽（FWHM）；（f）典型通道光谱间的互相关曲线。

图5 光谱重建结果。（a）FBG产生的4个0.2 nm窄带反射光谱的成功重建；（b）啁啾FBG两个宽带光谱的成功重建；（c）、（d）小至0.2 nm的FBG光谱偏移的清晰追踪；（e）、（f）FWHM为1 nm和0.2 nm的FBG透射光谱的重建效果。

五、讨论与结论

（一）讨论

性能定位

系统实现 0.2nm 光谱分辨率和 100nm 工作带宽（受测量设备及耦合元件限制），虽较皮米级分辨率、数百纳米带宽的光谱仪有差距，但核心贡献是提出逆向设计方法，该方法应用于其他结构也优于随机设计。

可扩展性

无固有带宽限制，可通过增加耦合点数量、扩大最大延迟长度差提升分辨率。

应用示范

成功作为 FBG 传感器的光谱分析装置，验证实用价值。

（二）结论

提出用于单次测量计算式光谱仪的可靠逆向设计方法，在硅光平台研制出基于干涉效应的新型无序结构光谱仪芯片。

相比传统随机设计，显著提升光谱分辨率、降低结构间互相关性，方法可拓展至其他光子结构设计，性能有望超越随机优化。

推动硅基集成光谱仪向商业化应用迈进，为多样化场景提供高性能、可扩展解决方案。

文章信息

标题：片上计算式光谱仪的创新逆向设计方法 —— 性能与可靠性的全面提升（英文标题：Innovative Inverse-Design Approach for On-Chip Computational Spectrometers: Enhanced Performance and Reliability）

作者：李昂、吴怡凡、张弓远、王畅、何吉骏、石雅琪、杨宗银（通讯作者，邮箱：yangzongyin@zju.edu.cn）、潘时龙（通讯作者，邮箱：pans@nuaa.edu.cn）

基金支持：国家重点研发计划项目（2021YFB2801500、2022YFB3206001和2023YFB3405600）、国家自然科学基金项目（62375126、62105149和62334001）、浙江省领军型创新创业团队项目（2022R01001）、教育部现代光学技术重点实验室（苏州大学）以及先进光通信系统与网络国家重点实验室的资助。

引用信息：Ang Li, Yifan Wu, Gongyuan Zhang, Chang Wang, Jijun He, Yaqi Shi, Zongyin Yang, Shilong Pan. Innovative Inverse-Design Approach for On-Chip Computational Spectrometers: Enhanced Performance and Reliability. Engineering, 2024, 43(12): 85-92 DOI:10.1016/j.eng.2024.07.011