光譜儀在現(xiàn)代光學(xué)應(yīng)用中擁有舉足輕重的作用，光譜儀的小型化和集成化發(fā)展可以滿足各種新興光譜分析應(yīng)用對便攜性、低成本、小尺寸、穩(wěn)定性的需求，如片上實驗系統(tǒng)、細胞組織檢測分析乃至移動設(shè)備搭載光譜儀等，是近年來重要的研究和發(fā)展方向。

傳統(tǒng)的小型化光譜儀一般通過將傳統(tǒng)的大型臺式光譜儀中的色散元件或者濾波元件使用集成光子技術(shù)小型化后得到。光譜計算重建（Computational reconstruction）是近年來新興的一種光譜儀的實現(xiàn)方法，這種方法通過對入射光場和輸出通道間的映射進行了預(yù)先標(biāo)定，再使用重建算法進行迭代。然而，現(xiàn)有的這些方案也都存在著無法根據(jù)需求擴展、不夠靈活的缺點，而基于精細的材料工程獲得材料光譜響應(yīng)漸變的方案在材料的加工和集成上都有很高的復(fù)雜度，由此帶來了高成本和低產(chǎn)率等問題。

近日，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心張新亮教授團隊董建績等人提出并實驗證明了一種結(jié)合緊湊納米梁微腔和計算重建的微型光譜儀。通過將硅基納米梁諧振腔陣列與計算重建算法相結(jié)合，得到了兼顧小尺寸、易擴展、易移植的納米梁光譜儀，如圖1所示。使用納米梁諧振腔的直通耦合結(jié)構(gòu)，將單個納米梁諧振腔單元構(gòu)造成了極小尺寸的寬譜響應(yīng)單元，并精細調(diào)節(jié)這些納米梁諧振腔的中心諧振頻率，最后將這樣的納米梁單元密集排列構(gòu)成覆蓋工作波段的納米梁陣列。使用這樣的納米梁諧振腔陣列對入射光場進行探測，并對傳輸響應(yīng)使用計算重建算法進行光譜還原，即可實現(xiàn)光譜儀功能。

圖1 納米梁諧振腔陣列光譜儀工作原理。(a)入射光探測；(b)計算重建還原。

納米梁諧振腔陣列光譜儀可以實現(xiàn)高達30 dB消光比的光譜探測，如圖2所示。對于譜寬分別為3 nm和1 nm的單峰輸入、間隔分別為10 nm和5 nm的雙峰輸入以及三角形光譜和多峰兩種寬譜輸入，納米梁光譜儀能夠較為完整地還原寬譜形狀。

圖2 傳統(tǒng)臺式光譜儀探測與納米梁諧振腔光譜儀計算重建結(jié)果對比。(a) 譜寬為3 nm的單峰輸入；(b) 譜寬為1 nm的單峰輸入；(c) 三角形光譜的寬譜輸入；(d) 間距為10 nm的雙峰光譜輸入；(e) 間距為5 nm的雙峰光譜輸入；(f) 多峰寬譜輸入。

此外，可以根據(jù)產(chǎn)品需求和反饋靈活地設(shè)計和生產(chǎn)滿足需要的納米梁諧振腔陣列光譜儀芯片，而不需要額外花費過多重新設(shè)計和優(yōu)化的成本，如圖3所示。如2400 nm波段將使用SOI平臺和1.55倍的放縮參數(shù)，而1310 nm波段將使用SOI平臺和0.85倍的放縮參數(shù)。在完成納米梁諧振腔工作波段的遷移后，則可以進一步根據(jù)波長范圍和分辨率確定納米梁陣列參數(shù)。納米梁光譜儀展現(xiàn)了作為一種可以快速定制的通用光譜儀芯片，實現(xiàn)面向各類應(yīng)用的商業(yè)化產(chǎn)品的巨大潛力，相較于其他光譜儀方案在實用性范疇上擁有獨特優(yōu)勢。

圖3 納米梁諧振腔光譜儀芯片定制化產(chǎn)品流程

相關(guān)研究成果近期發(fā)表在2022年的《ACS Photonics》期刊上，該工作得到了國家自然科學(xué)基金項目的支持。