王偉平， 金 里

1. 中國電子科技集團(tuán)公司信息科學(xué)研究院， 北京 100086 2. 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088

引 言

作為光譜分析不可或缺的工具， 光譜儀被應(yīng)用在生物傳感、 醫(yī)學(xué)分析、 氣體傳感、 環(huán)境分析、 石油勘探及食品質(zhì)量檢測等各方面[1-4]。 傳統(tǒng)的高性能光譜儀通常是由分立的光學(xué)元件和機(jī)械部件構(gòu)成， 體積龐大、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 造價(jià)昂貴， 極大限制了其應(yīng)用范圍。 隨著對光譜儀便攜性和穩(wěn)定性要求越來越高， 其小型化和集成化已成趨勢。 相較于傳統(tǒng)的大型光譜儀， 小型化的光譜儀成本低、 體積小、 功耗低， 便于現(xiàn)場在線監(jiān)測， 極大地?cái)U(kuò)展了應(yīng)用范圍。 現(xiàn)階段存在著各種不同的小型化光譜儀， 主要是通過利用新型加工技術(shù)將分光器件小型化來實(shí)現(xiàn)的。 相較于其他小型化的光譜儀， 片上光譜儀將光譜儀的尺寸縮小至芯片級的尺寸， 有著更明顯的尺寸、 重量和功耗的優(yōu)勢， 可被集成應(yīng)用在各種微小的工作平臺上， 引起了國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注[5-14]。

在各種芯片化的解決方案中， 硅基光子技術(shù)為光譜儀的芯片化提供了一種有效的實(shí)現(xiàn)方式。 首先， 得益于成熟的硅光工藝， 可以以較低的加工成本制造出高密集、 高成品率的光子器件[15]。 其次， 通過光子集成技術(shù)， 將光譜儀和光電探測器集成， 加上異構(gòu)/異質(zhì)集成的光源， 可在單個(gè)芯片上集成所需要的全部光學(xué)元件而構(gòu)成一個(gè)功能完整光譜儀[16-18]。 最后， 硅光代工的MPW服務(wù)也為高性能的器件提供了低成本的路徑[8，19]。 現(xiàn)有的硅基片上光譜儀主要分為基于刻蝕衍射光柵、 陣列波導(dǎo)光柵等的色散型光譜儀和傅里葉變換型光譜儀等。 色散型光譜儀具有較高的光譜分辨率， 而傅里葉變換型光譜儀則可實(shí)現(xiàn)較大的光譜范圍和較高的信噪比。 本文綜述了幾種主要的硅基片上光譜儀的研究進(jìn)展， 分析了各自的性能特點(diǎn)， 在此基礎(chǔ)上提出了將兩種類型的光譜儀結(jié)構(gòu)結(jié)合成新型光譜儀結(jié)構(gòu)， 以同時(shí)實(shí)現(xiàn)寬光譜探測范圍和較高的分辨率。 最后， 展望了芯片級光譜儀的未來發(fā)展趨勢與應(yīng)用前景。

1 硅基片上光譜儀光譜分光原理

現(xiàn)有的硅基片上光譜儀實(shí)現(xiàn)途徑主要分為兩大類， 一類是色散型片上光譜儀， 另一類是基于傅里葉變換(Fourier transform, FT)的片上光譜儀。 色散型硅基片上光譜儀主要是通過對不同波長的光進(jìn)行空間或時(shí)間上的分離， 來讀出光譜。 具體的實(shí)現(xiàn)方式是利用硅基光柵、 波導(dǎo)的色散等對不同波長的光進(jìn)行分光， 直接在輸出端得到多個(gè)光譜通道輸出， 每個(gè)通道都需要一個(gè)獨(dú)立的探測器， 因此一般需要利用陣列探測器進(jìn)行探測， 或者利用一個(gè)探測器， 移動到對應(yīng)輸出端口進(jìn)行探測。 其中， 硅基刻蝕衍射光柵(echelle diffraction grating, EDG)和硅基陣列波導(dǎo)光柵(arrayed-waveguide grating， AWG)是兩種最典型的色散型平面集成光學(xué)器件。 兩種器件在光通信領(lǐng)域都已有相對成熟的研究， 研究基礎(chǔ)較好， 同時(shí)在分辨率、 工作帶寬、 芯片的尺寸和對制造誤差的容忍度等方面性能較好。 將這兩種器件用作光譜儀中的分光元件時(shí)， 需要根據(jù)使用的波長范圍和性能指標(biāo)， 以及系統(tǒng)的要求重新進(jìn)行匹配性設(shè)計(jì)。 然而， 由于此種類型光譜儀的分辨率和光柵個(gè)數(shù)或光譜通道數(shù)成正比， 若要實(shí)現(xiàn)高分辨率， 器件的尺寸勢必要增加， 會帶來較大的相位誤差， 信噪比(signal-to-noise ratio, SNR)降低， 進(jìn)而降低動態(tài)范圍， 因此利用硅基EDG或AWG實(shí)現(xiàn)的集成式光譜儀很難在實(shí)現(xiàn)高的光譜分辨率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)大的動態(tài)范圍。 為了克服此限制， 提出了基于散斑測量的硅基片上光譜儀結(jié)構(gòu)， 以擴(kuò)展光譜儀的動態(tài)探測范圍[7]。

傅里葉變換型硅基片上光譜儀則是對不同波長的光進(jìn)行波分復(fù)用， 探測器探測完成后需要通過傅里葉逆變換完成光譜重構(gòu)才能得到光譜信號。 相較于色散型光譜儀， 傅里葉變換型的光譜儀可以克服SNR和光譜分辨率之間的矛盾， 這是因?yàn)榇朔N類型的光譜儀具有多路測量的優(yōu)勢(fellgett’s advantage， 采用多路測量來獲得信噪比的改善)， 同時(shí)由于所有波長的光譜信息可以同時(shí)被測量， 因此在光通量方面也具有較大的優(yōu)勢。 傳統(tǒng)的傅里葉光譜儀是通過一條干涉光路中反射鏡的移動來產(chǎn)生可變的光程差， 而針對硅基波導(dǎo)器件， 主要通過以下三種方式來實(shí)現(xiàn)光路中光程差的改變： 一是無可移動部件的集成式傅里葉變換型片上光譜儀， 主要是通過駐波和空間外差的干涉儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的[20-21]； 二是通過熱光、 電光調(diào)制來改變干涉儀中光程差[14，22]； 三是直接借鑒傳統(tǒng)的光譜儀結(jié)構(gòu)， 利用微機(jī)電器件(micro-electro-mechanical system, MEMS)直接移動干涉光路中的元件來實(shí)現(xiàn)光程差的改變[12]。 本文主要介紹和分析上述幾種類型的硅基片上光譜儀的研究進(jìn)展， 并對其應(yīng)用和發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)和展望。

2 色散型硅基片上光譜儀

2.1 刻蝕衍射光柵型硅基片上光譜儀

EDG通常采用凹面閃耀光柵和羅蘭圓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 如圖1所示， 輸入波導(dǎo)和輸出波導(dǎo)/探測器陣列分別位于羅蘭圓上， 且延長線相交于切點(diǎn)P， 凹面光柵位于大圓上(與羅蘭圓相切于P， 且半徑為羅蘭圓的2倍)， 羅蘭圓的作用是實(shí)現(xiàn)聚焦的功能。 多色光通過輸入波導(dǎo)入射， 被光柵反射后， 發(fā)生衍射， 不同波長的光經(jīng)羅蘭圓結(jié)構(gòu)聚焦， 分別進(jìn)入不同的輸出波導(dǎo)/探測器中， 從而實(shí)現(xiàn)不同位置處單色光的輸出。

圖1 EDG的原理結(jié)構(gòu)圖

基于EDG分光器件可開發(fā)出集成式的片上光譜儀系統(tǒng)[23]。 采用InGaAs探測器或Ⅲ—Ⅴ光電探測器， 將其和EDG鍵合來實(shí)現(xiàn)芯片級光譜儀。 但無論是采用Ⅲ—Ⅴ光電探測器還是InGaAs探測器， 由于材料體系所限， 集成和鍵合的過程均不是CMOS工藝兼容的， 加工成本較高。 選用SiON波導(dǎo)， 可以實(shí)現(xiàn)CMOS兼容的工藝， 從而降低加工成本。 浙江大學(xué)的Ma等[23]提出基于EDG的CMOS可兼容芯片光譜儀的結(jié)構(gòu)。 采用SiON作為波導(dǎo)的介質(zhì)， SiO2為波導(dǎo)的覆蓋層， 在SOI晶圓上制作硅探測器， 探測器采用金屬-半導(dǎo)體-金屬的結(jié)構(gòu)， 如圖2所示， 信號光通過輸入波導(dǎo)進(jìn)入到平板波導(dǎo)區(qū)， 入射至光柵面， 被衍射后， 根據(jù)波長被聚焦至特定位置的硅波導(dǎo)探測器上。 探測器陣列和SiON平板波導(dǎo)對接耦合， 將光信號轉(zhuǎn)換為電信號， 之后通過焊盤和讀出電路連接。 整個(gè)芯片的尺寸為6 mm×9 mm， 可實(shí)現(xiàn)0.5 nm光譜分辨率的近紅外光譜探測， 根據(jù)SiON的透過率， 其探測范圍可擴(kuò)展至2 000 nm。

基于EDG結(jié)構(gòu)的硅基片上光譜儀具有面積小、 齒面間距小且數(shù)量多、 單邊輸入輸出等優(yōu)點(diǎn)， 而且具有集成密度大、 通道頻譜精度高和易于封裝等優(yōu)勢。 但同時(shí)， 由于EDG結(jié)構(gòu)的加工關(guān)鍵是在平板波導(dǎo)邊緣處刻蝕階梯光柵， 其相位差產(chǎn)生在平板波導(dǎo)內(nèi)， 由于工藝的限制， 刻蝕側(cè)壁不能保證完全垂直， 會在光柵槽面反射后激發(fā)出高階模， 從而產(chǎn)生較嚴(yán)重的串?dāng)_。 因此應(yīng)用中， 需要根據(jù)系統(tǒng)和性能要求， 進(jìn)行綜合考慮。

圖2 基于EDG的集成光譜儀結(jié)構(gòu)圖[23]

2.2 陣列波導(dǎo)光柵型硅基片上光譜儀

AWG是由一個(gè)陣列波導(dǎo)和兩個(gè)星形耦合器構(gòu)成， 如圖3所示。 入射的多色光經(jīng)輸入波導(dǎo)耦合， 并經(jīng)輸入端的星形耦合器被分配至陣列波導(dǎo)中， 沿著波導(dǎo)傳播并進(jìn)入輸出端的星形耦合器中。 陣列波導(dǎo)中相鄰波導(dǎo)的長度差值為dL，dL是中心波長λc的整數(shù)倍。 在輸出端的星形耦合器中， 光束發(fā)生干涉， 并被聚焦至特定位置。 不同波長的光在陣列波導(dǎo)中會有不同的相位， 因此到達(dá)輸出端的星形耦合器處相位不同， 導(dǎo)致光束聚焦至輸出面的不同位置， 即實(shí)現(xiàn)了不同波長的光在輸出波導(dǎo)的不同位置輸出。

圖3 AWG結(jié)構(gòu)原理圖

AWG的性能特征主要取決于所采用波導(dǎo)材料的光學(xué)特性， 通常有基于低折射率差材料和高折射率差材料的AWG。 基于低折射率差材料的AWG， 如基于SoS波導(dǎo)(silica-on-silicon)的器件， 是利用SiO2作為掩埋層， 中心和包層的折射率差值Δn約為0.75%。 此種類型的AWG有著耦合效率高和傳輸損耗低的優(yōu)勢。 但是， 由于折射率差值較低， 導(dǎo)致波導(dǎo)的彎曲半徑很大， 進(jìn)而導(dǎo)致AWG的尺寸很大， 通?？蛇_(dá)幾個(gè)cm2， 限制了器件的集成度[24]。 高折射率差值材料的AWG， 如基于SOI(silicon-on-insulator)波導(dǎo)的器件， 折射率差值Δn約為58%。 由于高的折射率差， 可使器件的尺寸縮小至亞微米的量級， 相較于基于SoS的AWG， 基于SOI的AWG尺寸縮小了兩個(gè)量級[24]。 但是， 此類AWG的主要問題是耦合損耗將增加， 同時(shí)對誤差更為敏感， 導(dǎo)致制造過程中隨機(jī)相位誤差增加， 通道間的串?dāng)_隨之增大， 將對加工工藝的精度提出更大的挑戰(zhàn)。 在設(shè)計(jì)中， 根據(jù)器件尺寸的限制， 選擇合適的材料體系， 也可在高折射率差和低折射率差之間進(jìn)行折中， 采用折射率差適盅的Si3N4的材料來加工制作。

圖4 (a) 帶有一個(gè)片外探測器的SOI AWG光譜儀結(jié)構(gòu)圖； (b) AWG的設(shè)計(jì)版圖[27]

Fig.4 (a) Schematic of the spectroscopy setup using a SOI AWG spectrometer with a single external detector； (b) Design layout of the AWG[27]

基于AWG芯片可開發(fā)出集成式的光譜儀， Muneeb和Wang等[25-26]提出將Ⅲ—Ⅴ族的硅基探測器和AWG芯片異構(gòu)集成實(shí)現(xiàn)片上光譜儀。 Anton Vasiliev等[27]則提出， 將片外探測器和AWG芯片封裝的方案要優(yōu)于片上集成的方案， 針對2～4 μm的中紅外波段的光譜應(yīng)用， 給出了將一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TO封裝的InGaAs PIN探測器與AWG封裝的光譜儀結(jié)構(gòu)圖， 如圖4(a)所示。 其中AWG為12通道， 通道間隔為4 nm， 自由光譜范圍為56 nm。 探測器被安裝在AWG輸出光柵上方， 可同時(shí)收集所有通道的光信號。 如圖4(b)所示， AWG的每個(gè)輸出通道連接MZI(mach-zehnder interferometer)的熱光調(diào)制器， 可實(shí)現(xiàn)對AWG各路輸出的單獨(dú)控制。 基于AWG結(jié)構(gòu)的硅基片上光譜儀具有較好的波長特性， 重復(fù)性和穩(wěn)定性較高， 集成度較高。 但是， 在采用此種結(jié)構(gòu)的過程中， 需要考慮損耗和通道間串?dāng)_， 進(jìn)行容差設(shè)計(jì)。

2.3 硅基多模波導(dǎo)片上光譜儀

硅基多模波導(dǎo)片上光譜儀主要是基于散斑測量的原理[6，28-29]， 以實(shí)現(xiàn)較高的光子效率和高的靈敏度。 在此類型的光譜儀中， 由于探測到的光譜動態(tài)范圍等于獨(dú)立散斑的數(shù)目和光譜儀分辨率的乘積， 而散斑通常需要利用陣列探測器進(jìn)行探測， 因此若要提高器件的探測范圍， 則探測器的數(shù)量也相應(yīng)地需要增加， 進(jìn)而使得器件尺寸大大增加。 為了克服此限制， Molly Piels等[30]提出一種利用片上模式發(fā)射器來改變輸入發(fā)射條件的光譜儀結(jié)構(gòu)， 在這種結(jié)構(gòu)中， 動態(tài)探測范圍和通道數(shù)的平方成正比。 如圖5(a)所示， 光譜儀由硅基多模波導(dǎo)、 模式發(fā)射器和單模輸入輸出耦合器構(gòu)成。 不同波長的輸入光經(jīng)單模輸入模式發(fā)射器(設(shè)置發(fā)射條件)后， 再經(jīng)多模波導(dǎo)傳播后產(chǎn)生不同的輸出散斑模式。 如圖5(f)所示， 多模波導(dǎo)的輸出對接耦合至輸出端， 輸出端用光柵結(jié)構(gòu)， 也可用光電探測器來替代。 通過將待測輸出端光的散斑模式和之前測量得到的一系列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對來得到輸入光譜分布。 由于散斑也是發(fā)射條件的函數(shù)， 因此在測量過程中要確保發(fā)射條件和用于校準(zhǔn)器件的發(fā)射條件的一致性。 在進(jìn)行光譜重建時(shí)， 采用積極約束和Tikhonov正則化結(jié)合的重建方法， 以確保誤差的最小化[30]。 基于多模波導(dǎo)的硅基片上光譜儀可以以較小的尺寸實(shí)現(xiàn)大的光譜探測范圍， 但同時(shí)由于校正過程較為復(fù)雜， 對算法的要求較高。

圖5 多模波導(dǎo)光譜儀設(shè)計(jì)及響應(yīng)[30]

(a): 包含轉(zhuǎn)換矩陣和集成光電探測器的原理圖； (b): 3個(gè)不同位置處測量得到的散斑功率分布p(x;ω)； (c):p(ω)的平均自協(xié)方差； (d)： 芯片的顯微鏡圖； (e): 多模波導(dǎo)的掩膜視圖; 圖中顏色較淺的部分不屬于測試部分； (f): 扇入/扇出的掩膜視圖; 多模輸入/輸出在左側(cè)， 通過錐形波導(dǎo)輸出， 對接耦合至12個(gè)單模波導(dǎo)

Fig.5 Spectrometer design and response[30]

(a): Schematic including input switch matrix and integrated photodiodes; (b): Measured speckle patternp(x;ω) at three different positions; (c): Mean autocovariance ofp(ω); (d): Micrograph of fabricated chip; (e): Mask view of the bus waveguide; Waveguides that are not part of the device under test are lighter in color; (f): Mask view of the fan in/out; The multimode input/output enters at left, tapers out, and is butt-coupled to 12 single mode waveguides

綜上所述的三種色散型硅基光譜儀中， 基于多模波導(dǎo)的硅基片上光譜儀可以實(shí)現(xiàn)較高的分辨率， 但同時(shí)光譜探測范圍較小， 而且技術(shù)成熟度較低， 目前還處于研究階段。 基于EDG或AWG的硅基片上光譜儀的設(shè)計(jì)和加工都相對成熟， 可實(shí)現(xiàn)較高的光譜分辨率和較大的光譜探測范圍。 相較于AWG結(jié)構(gòu)來講， EDG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單， 集成密度高， 但串?dāng)_嚴(yán)重， 對工藝的要求較高。 AWG結(jié)構(gòu)是目前較為常選的硅基片上光譜儀結(jié)構(gòu)。 國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)， 針對微型色散光譜儀也開展了相關(guān)研究， 如重慶大學(xué)[31]、 浙江大學(xué)[32]、 西北工業(yè)大學(xué)喬大勇團(tuán)隊(duì)[33-34]等在微型光譜儀的關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得一定進(jìn)展， 但主要是針對微型化光譜的研究， 光譜儀結(jié)構(gòu)中仍包含鏡片、 狹縫等傳統(tǒng)光機(jī)元件。 對芯片級的光譜儀系統(tǒng)研究較少， 單純是將AWG或EDG結(jié)構(gòu)作為通信領(lǐng)域應(yīng)用的波分復(fù)用元件開展了相關(guān)研究[35]， 并未從光譜儀角度出發(fā)對整個(gè)系統(tǒng)開展相關(guān)研究。

3 傅里葉變換型硅基片上光譜儀

3.1 空間外差式硅基片上光譜儀

空間外差式光譜儀結(jié)構(gòu)(spatial heterodyne spectrometer, SHS)屬于靜態(tài)的傅里葉變換型光譜儀， 較為常見的是采用波導(dǎo)型馬赫曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder interferometer, MZI)陣列來實(shí)現(xiàn)。 在基于MZI陣列的平面波導(dǎo)SHS中， 通過構(gòu)建不平衡的干涉儀結(jié)構(gòu)(MZI的兩臂長度不一致)來實(shí)現(xiàn)相位差， 越不平衡的MZI 結(jié)構(gòu)， 對應(yīng)的分辨率越高。 Mirosńaw Florjaczyk等[36]提出多孔徑輸入型SHS， 如圖6所示， 器件由多個(gè)波導(dǎo)形成多孔徑輸入， 每個(gè)輸入對應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的MZI。 輸入信號沿著陣列MZI傳播， 并發(fā)生干涉， 在輸出端可以得到功率分布， 利用匹配的光電探測器來測量輸出功率， 通過對得到的光功率分布進(jìn)行傅里葉變換， 可以得到輸入光的光譜信息。 相較于單孔徑輸入， 多孔徑器件的光通量和波導(dǎo)數(shù)目成正比， 在測量來自空間擴(kuò)展光源的信號時(shí)， 具有明顯的優(yōu)勢。 由于器件的加工等會引入相位誤差， 可以通過算法的校正來消除這些誤差， 例如在恢復(fù)算法中利用查表法[36]。

圖6 由陣列馬赫曾德爾干涉儀構(gòu)成的波導(dǎo)光譜儀原理圖

相較于AWG和EDG， 陣列MZI結(jié)構(gòu)還有一個(gè)重要的優(yōu)勢， 即制作工藝的魯棒性。 這是因?yàn)橄辔缓头日`差可以很容易被測量， 并通過校正算法進(jìn)行修正， 而不需要通過加工來對波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行改變。 例如， 切趾法校正也可以被應(yīng)用在校正算法中來代替專用的切趾光學(xué)元件。

3.2 駐波傅里葉變換型硅基片上光譜儀

針對某些對版圖面積限制較小的應(yīng)用， SHS可以不損失信噪比， 在較窄的光譜帶寬中實(shí)現(xiàn)高的分辨率。 然而， 針對一個(gè)給定的光譜帶寬， SHS方案中若要提高分辨率， 需要更多的MZI， 器件的尺寸迅速增加。 駐波集成式傅里葉片上光譜儀(stationary wave integrated Fourier transform spectrometer, SWIFTs)可以在較小的尺寸上實(shí)現(xiàn)高分辨率。 Nie等[37]提出一種新型的同向傳播的SWIFTs結(jié)構(gòu)， 如圖7所示。 待測信號首先入射至MMI(multimode interference)耦合器的輸入端， 之后被分到2個(gè)不同寬度的平行波導(dǎo)中， 兩波導(dǎo)中的光在傳播過程中不會發(fā)生能量交換， 不同寬度波導(dǎo)中光傳播的相速度不同。 雖然兩個(gè)平行波導(dǎo)在空間上分開， 但兩波導(dǎo)中傳播倏逝波的尾部有輕微重疊， 因此會在兩平行波導(dǎo)之間形成干涉圖樣。 在干涉圖像具有最好對比度的地方， 放置一個(gè)具有合適周期的光柵用來將干涉圖樣向上衍射至探測系統(tǒng)。 對采集到的光強(qiáng)隨波導(dǎo)長度變化的信號進(jìn)行傅里葉變換， 可以得到輸入光譜信息。 采用CMOS兼容Si3N4工藝加工平臺來加工制作， 器件的尺寸為0.1 mm2， 可實(shí)現(xiàn)6 nm左右的分辨率和100 nm的帶寬。

圖7 同向傳播駐波FTS的概念圖[37]

此類型的SWIFTs中， 光譜分辨率和波導(dǎo)長度成反比， 可以通過增加波導(dǎo)長度進(jìn)一步改善分辨率。 帶寬主要受限于探測器的波長響應(yīng)范圍和波導(dǎo)中傳輸?shù)牟ㄩL范圍。 因此， 只要是在波導(dǎo)的透明波段范圍內(nèi)， 再集成對應(yīng)響應(yīng)波長的探測器， 可針對不同的波長窗進(jìn)行不同用途的設(shè)計(jì)。

3.3 熱調(diào)傅里葉變換型硅基片上光譜儀

除了通過改變干涉儀兩臂的物理長度來實(shí)現(xiàn)光程差的變化外， 還可通過熱光調(diào)相改變材料折射率的方法來實(shí)現(xiàn)光程差的變化。 為了獲得較高的光譜分辨率， 需要折射率的變化率較高。 Mario C.M.M. Souza等[22]提出了基于SOI平臺的， 帶有集成微加熱器的硅基傅里葉變換光譜儀(silicon photonics-based Fourier transform spectrometer, Si-FTS)結(jié)構(gòu)， 如圖8(a)所示。 器件由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的MZI結(jié)構(gòu)集成金屬微加熱器構(gòu)成， 外部光耦合至芯片后， 進(jìn)入MZI的兩臂， 之后通過Y分支耦合器發(fā)生干涉并輸出， 被光電探測器探測， 器件的總尺寸為1 mm2。 MZI的每個(gè)臂由總長為30.407 mm的螺旋線構(gòu)成[如圖8(d)所示]， 被獨(dú)立驅(qū)動的鎳鉻微加熱器覆蓋， 兩臂之間絕熱。 最終， 以每個(gè)加熱器2.5 W的功耗， 在193.4 THz周圍以0.38 THz的分辨率恢復(fù)了一個(gè)7 THz寬的光源光譜。 由于引入了熱調(diào)， 加熱引起的熱光非線性、 熱膨脹和色散會給光譜重建引入誤差， 導(dǎo)致得到的光譜和實(shí)際光譜之間有誤差。 為了消除此種誤差， 需要在光譜信號處理算法上考慮這些影響并進(jìn)行修正。 Mario C.M.M. Souza等[22]提出在光譜重建算法中引入與頻率和溫度變化相關(guān)的等效折射率和臂長的變化函數(shù)， 函數(shù)中各展開項(xiàng)的參數(shù)確定主要通過各影響因素的實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行標(biāo)定和擬合， 從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中提取參數(shù)。 同時(shí)， 考慮通過標(biāo)準(zhǔn)光源光譜對對非線性進(jìn)行標(biāo)定和校正。

考慮到現(xiàn)有硅光設(shè)計(jì)和制造的優(yōu)勢， 基于熱調(diào)的片上Si-FTS的性能提升潛力很大。 首先， 對于一個(gè)給定的器件， 工作窗口將由波導(dǎo)光耦合/分束器決定。 這些器件可在幾百納米的范圍內(nèi)提供較平坦的響應(yīng)， 同時(shí)擁有較低的損耗， 這些都允許基于熱調(diào)的Si-FTS可在較寬的帶寬內(nèi)工作。 其次， 利用低損耗的硅波導(dǎo)制造工藝， 結(jié)合CMOS兼容硅器件熱光效應(yīng)引起的大折射率變化率， 可實(shí)現(xiàn)較高的光譜分辨率。 最后， 通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)改變， 可較大改善功率效率。 例如，利用邁克爾遜干涉儀代替MZI結(jié)構(gòu)來加倍光程， 同時(shí)引入熱隔離結(jié)構(gòu)增加熱效率等。 這些優(yōu)勢都使得基于熱調(diào)的Si-FTS在成為穩(wěn)定的通用型便攜光譜儀方面具有較大的潛力。

圖8 基于熱調(diào)的片上Fourier變換光譜儀

(a): SOI平臺上的MZI與集成金屬微加熱器的原理圖； (b): 器件的橫截面圖， 給出了條形硅波導(dǎo)的準(zhǔn)TE模式和電流流過微加熱器時(shí)的加熱區(qū)域(光線為紅色)； (c): 實(shí)驗(yàn)器件的光學(xué)顯微圖， 總版圖為1 mm2； (d): 加熱器下MZI臂的光學(xué)顯微圖； (e): 寬帶功率分束/合束器的電子顯微鏡圖

Fig.8 On-chip Fourier transform spectrometer

(a): Schematic of a MZI with integrated metal micro heaters on silicon-on-insulator (SOI) platform; (b): Device cross-section illustrating the quasi-TE mode (energy density) of the strip silicon waveguide and the heated area (light red) when current flows through the micro heater; (c): Optical micrography of the experimental device with a total footprint of 1 mm2; (d): Dark field optical micrography of the MZI arm underneath the heater trails; (e): SEM image of the broadband power splitter/combiner

圖9 (a)一個(gè)擁有j個(gè)開光的dFT光譜儀的結(jié)構(gòu)框圖， 共有j/2-1個(gè)重復(fù)的臺階； (b)前道硅制造工藝后的64通道dFT光譜儀的俯視顯微圖， 給出了干涉儀的排布， 熱光開關(guān)和波導(dǎo)集成Ge探測器； (c)全封裝的， 即插即用光譜儀圖， 具有標(biāo)準(zhǔn)的FC/PC光纖接口和控制及信號讀出電纜[38]

Fig.9 (a) Block diagram illustrating the generic structure of a dFT spectrometer withjswitches andK=j/2-1 repeated stages indexed byk∈[1,K]; (b) Top-view optical micrograph of the 64-channel dFT spectrometer after front-end-of-line silicon fabrication, showing the interferometer layout, the thermo-optic switches and waveguide-integrated germanium photodetector; (c) Photo of the fully-packaged, “plug-and-play” dFT spectrometer with standard FC/PC fiber interface and a ribbon cable for control and signal read-out[38]

3.4 數(shù)字傅里葉變換型硅基片上光譜儀

通過對MZI陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新排布和設(shè)計(jì)， 可實(shí)現(xiàn)光譜儀信噪比(SNR)和光譜通道擴(kuò)展能力的提升。 Derek M. Kita等[38]展示了一種變形的片上數(shù)字傅里葉變換光譜儀(digital Fourier transform spectrometer, dFTs)， 它可以通過重組的MZI結(jié)構(gòu)的時(shí)域調(diào)制實(shí)現(xiàn)高光譜分辨率。 光譜儀主要是基于如圖9(a)所示重組的MZI結(jié)構(gòu)。 MZI的每個(gè)臂由j/2(j是偶整數(shù))個(gè)級聯(lián)光開關(guān)和不同長度的波導(dǎo)連接在一起。 當(dāng)光在MZI的兩臂中都沿參考光路[如圖9(a)中黑色標(biāo)記波導(dǎo)]傳播時(shí)， 此時(shí)MZI是平衡結(jié)構(gòu)， 兩臂之間的光程差為0。 而圖9(a)中紅色標(biāo)記的波導(dǎo)路徑和參考路徑不同， 相鄰波導(dǎo)長度相差2的冪指數(shù)倍的ΔL。 結(jié)合開關(guān)序列， 每種開關(guān)的排列組合都對應(yīng)一個(gè)兩臂之間特定的光程差， 光程差可從0覆蓋至(2j-1)·ng·ΔL， 變化的步長為ng·ΔL， 其中ng代表波導(dǎo)的群折射率。 如圖9(b)所示， 給出了一個(gè)64通道的dFTs， 器件借助一個(gè)商用硅光代工藝線制作， 光開關(guān)采用熱光相移設(shè)計(jì)。 光譜儀集成了1個(gè)片上Ge光電探測器和一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的FC/PC光纖連接器接口， 使其成為一個(gè)獨(dú)立的“即插即用”的光譜分析器件[如圖9(c)所示]。 為了抑制噪聲和提高光譜分辨率， 在光譜重建的過程中， 通過應(yīng)用非負(fù)彈性網(wǎng)方法來求解重建過程中的正則化問題， 并用此算法重建了兩種多色光輸入時(shí)的光譜信號， 實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)的光譜重建[45]。

Si-dFTs采用標(biāo)準(zhǔn)的硅光工藝加工和封裝， 可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、 低成本制造。 同時(shí)， 還具有以下優(yōu)勢： 首先， Si-dFTs的光譜通道數(shù)和分辨率隨著級聯(lián)開關(guān)數(shù)目指數(shù)變化， 提升了器件的光譜通道擴(kuò)展能力， 有助于器件分辨率的提升。 其次， 相較于基于熱光或電光的折射率調(diào)制， Si-dFTs對波導(dǎo)路徑直接的改變可以提供更大范圍的光程差調(diào)制(超過100倍)， 可以較小的尺寸實(shí)現(xiàn)超高的分辨率。 同時(shí)， 由于溫度引起的光程差的變化和干涉儀臂的物理長度成線性關(guān)系， 因此相較于現(xiàn)有的片上傅里葉變換型光譜儀， Si-dFTs對溫度變化更不敏感。 最后， 得益于多路的優(yōu)勢， Si-dFTs相較于色散器件， 擁有較高的SNR。 而且， 該光譜儀只需要一個(gè)光電探測器， 進(jìn)一步減小了系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。 Si-dFTs提供了一種高性能、 穩(wěn)定的片上光譜分析解決方案。

3.5 硅基MEMS傅里葉變換型片上光譜儀

傳統(tǒng)的傅里葉變換光譜儀結(jié)構(gòu)主要是基于邁克爾遜干涉儀， 通過移動干涉儀其中一臂中的反射鏡來改變光程差。 在芯片上實(shí)現(xiàn)此結(jié)構(gòu)對加工工藝的要求較高， 但隨著微結(jié)構(gòu)加工工藝的發(fā)展， MEMS技術(shù)的突破為此方案提供了一種有效的解決方案。 MEMS型光譜儀的實(shí)現(xiàn)首先是將MEMS微鏡和梳狀的致動器粘接在一起以實(shí)現(xiàn)邁克爾遜干涉儀中一臂的移動。 之后， 隨著加工工藝的發(fā)展， 出現(xiàn)了利用表面微機(jī)械集成分立的光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)的FTIR(Fourier transform infrared)光譜儀[39]和用光柵反射器來實(shí)現(xiàn)邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)， 以克服金屬化垂直表面所需的額外空間[40]。 這些技術(shù)中， MEMS致動器只能移動有限的距離， 量級為幾十μm， 極大限制了FTIR光譜儀的光譜分辨率。 同時(shí)， 器件還需要大型的He-Ne激光器來感應(yīng)動鏡的位置。 為了克服這些限制， 開發(fā)出了半平面分束器結(jié)構(gòu)和可實(shí)現(xiàn)幾百μm長移動距離的MEMS致動器[41]， 同時(shí)通過電容傳感來感知微鏡的位移并進(jìn)行自校準(zhǔn)。 這些技術(shù)的發(fā)展促成了片上MEMS光譜儀[42]。 Yasser M Sabry和Mazen Erfan等[12-13]提出了如圖10(b)所示的MEMS芯片式FTIR光譜儀結(jié)構(gòu)， 由邁克爾遜干涉儀和MEMS微致動器構(gòu)成。 MEMS致動器可以推拉動鏡在干涉儀兩臂之間產(chǎn)生大的光程差， 同時(shí)利用電容傳感技術(shù)記錄動鏡的位移信息。 輸入/輸出光的收集通過多模光纖來實(shí)現(xiàn)， MEMS的輸出光直接被探測器接收并轉(zhuǎn)化為電流信號。 探測器探測到的干涉電流信息， 結(jié)合傳感電容記錄的位移信息， 可得到光程差和輸出光強(qiáng)之間的關(guān)系， 對其進(jìn)行傅里葉變換， 得到輸入光的光譜信息。 MEMS FTIR光譜儀探測范圍的上限受限于光源、 光纖和探測器的響應(yīng)波長范圍， 下限則受限于硅材料的吸收。 利用InGaAs光電探測器和基于SiO2的光纖， 可以實(shí)現(xiàn)1 300～2 500 nm的光譜探測范圍， 光譜分辨率為7.5 nm@1 550 nm。 在加工制作的過程中， 采用基于SOI的深刻蝕技術(shù)， 可以確保批量生產(chǎn)， 以實(shí)現(xiàn)MEMS FTIR光譜儀的低價(jià)。 采用此結(jié)構(gòu)的光譜儀， 實(shí)現(xiàn)了在10 cm長度內(nèi)對2‰的C2H2和CO2等氣體的探測[13]。

圖10 (a) 邁克爾遜干涉儀的光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺， 光學(xué)和光機(jī)器件置于平臺上且光線在平臺內(nèi)傳播； (b) 微機(jī)械邁克爾遜干涉儀的單片集成[12]

BS： 分束器； M： 鏡子

Fig.10 (a) Optical-bench Michelson interferometer where the optical and the optomechanical components are arranged on an optical table and the light is propagating inplane with respect to the table； (b) Monolithically integrated micromachined Michelson interferometer[12]

BS： Beam splitter； M： Mirror

3.6 基于級聯(lián)MZI+AWG的硅基片上光譜儀

通過以上的分析可得， 色散型和傅里葉變換型光譜儀有著不同的優(yōu)勢， 在我們的研究中， 通過將這兩種不同類型的光譜儀結(jié)構(gòu)相結(jié)合， 提出了一種新型的硅基片上光譜儀結(jié)構(gòu)。 此結(jié)構(gòu)通過傅里葉變換型的光譜儀結(jié)構(gòu)首先對入射光進(jìn)行寬光譜預(yù)分光， 這主要是利用其光譜探測范圍寬和信噪比高的優(yōu)勢， 之后利用色散型光譜儀結(jié)構(gòu)對預(yù)分光后的光譜進(jìn)行進(jìn)一步的精細(xì)分光， 這主要是利用其分辨率高的優(yōu)勢。 由于MZI結(jié)構(gòu)適用于寬光譜分光， 因此采用MZI結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)寬光譜預(yù)分光功能。 單個(gè)的MZI結(jié)構(gòu)無法滿足芯片的分光需求， 需要對MZI結(jié)構(gòu)進(jìn)行串、 并聯(lián)設(shè)計(jì)， 采用串并聯(lián)設(shè)計(jì)的多級MZI結(jié)構(gòu)。 通過設(shè)計(jì)調(diào)整MZI兩條延遲線的光程差以及耦合器的耦合系數(shù)等參數(shù)， 可實(shí)現(xiàn)所需的帶寬的光譜輸出。 精細(xì)分光是通過AWG結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。 光譜儀的結(jié)構(gòu)如圖11所示， 耦合至波導(dǎo)分光芯片中的寬光譜輸入光， 首先經(jīng)級聯(lián)MZI波導(dǎo)寬譜分光模塊進(jìn)行光譜寬帶的預(yù)分光， 對輸入光進(jìn)行粗分， 然后經(jīng)過高分辨率的AWG模塊分別進(jìn)行各光譜譜帶內(nèi)的高分辨率光譜分光， 從而實(shí)現(xiàn)寬光譜范圍、 高分辨率的光譜分光。 利用此結(jié)構(gòu)， 可實(shí)現(xiàn)對1 150～1 550 nm范圍內(nèi)的光譜分光： 輸入光的光譜范圍為1 150～1 550 nm， 經(jīng)兩級MZI結(jié)構(gòu)分光后， 得到帶寬為100 nm的四束輸出光。 之后， 經(jīng)4個(gè)中心波長不同的8通道的AWG結(jié)構(gòu)， 得到通道間隔為12.5 nm的光譜， 合計(jì)32路光輸出。 此結(jié)構(gòu)的硅基片上光譜儀將具有較寬帶寬的級聯(lián)MZI結(jié)構(gòu)和較高分辨率的AWG結(jié)構(gòu)相結(jié)合， 在實(shí)現(xiàn)較大光譜范圍的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)較高的光譜分辨率。 同時(shí)， 還可通過對MZI結(jié)構(gòu)或AWG結(jié)構(gòu)加上熱調(diào)模塊， 對其進(jìn)行光譜差分分析來進(jìn)一步提高分辨率， 可實(shí)現(xiàn)nm級的光譜分辨率。

圖11 基于級聯(lián)MZI和AWG結(jié)構(gòu)的光譜儀結(jié)構(gòu)圖

針對以上幾種不同類型的Fourier變換型硅基片上光譜儀， SHS型光譜儀可在較窄的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)高分辨率， 增大光譜范圍時(shí)， 面臨著尺寸的限制； SWIFTs的帶寬主要受限于探測器的響應(yīng)范圍和傳輸波導(dǎo)， 同時(shí)也可以通過增加波導(dǎo)的長度來提高分辨率， 但相應(yīng)地探測器陣列的規(guī)模要隨之?dāng)U大， 而且器件使用時(shí)的對準(zhǔn)難度較大； 基于熱調(diào)的片上Si-FTS可同時(shí)實(shí)現(xiàn)較大的光譜探測范圍(幾百nm)和較高的光譜分辨率(nm級)， 在成為通用型的片上光譜儀方面具有較大的潛力， 但同時(shí)需要解決熱調(diào)帶來的非線性、 熱膨脹以及色散等問題。 Si-dFTs型片上光譜儀的光譜通道數(shù)和分辨率隨著級聯(lián)開關(guān)數(shù)目指數(shù)變化， 極大地提升了器件的光譜通道擴(kuò)展能力， 可以以較小的尺寸實(shí)現(xiàn)大的光譜范圍和高分辨率， 但同時(shí)由于涉及熱光開關(guān)的轉(zhuǎn)換， 損耗較大， 會引入相位誤差； 硅基MEMS型Fourier變換光譜儀， 在未引入熱光調(diào)相的前提下， 可實(shí)現(xiàn)大的光譜范圍(幾百nm)和高的分辨率(<10 nm)， 系統(tǒng)的集成度較高， 難點(diǎn)在于對MEMS型光學(xué)器件的工藝加工精度要求較高。 我國針對微型的Fourier變換型光譜儀開展了相關(guān)研究， 如北京交通大學(xué)針對全光纖的MZI濾波器、 重慶大學(xué)對基于MOEMS光柵調(diào)制器為核心元件的微型近紅外光譜儀等開展了相關(guān)研究， 長春光機(jī)所設(shè)計(jì)了光譜折疊式的微型近紅外光譜儀[43-44]， 可實(shí)現(xiàn)800～2 400 nm的光譜探測范圍， 光譜分辨率約為10 nm。 與色散型的光譜儀相似， 國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)針對變換型微型光譜儀的研究， 主要是基于光機(jī)器件的微型化研究， 針對近幾年新興的基于波導(dǎo)型的片上結(jié)構(gòu)研究較少。

4 發(fā)展趨勢

根據(jù)以上分析可以看出， 不同類型的硅基片上光譜儀結(jié)構(gòu)有著各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)， 這也決定了它們不同的應(yīng)用領(lǐng)域。 EDG和AWG等色散型的硅基片上光譜儀加工工藝成熟， 實(shí)現(xiàn)方式簡單， 可實(shí)現(xiàn)較高的分辨率， 但同時(shí)光譜探測范圍會受限， 因此適用于對分辨率要求較高的氣體傳感等領(lǐng)域。 傅里葉變換型的硅基片上光譜儀克服了SNR和光譜分辨率之間的矛盾， 同時(shí)也擴(kuò)展了光譜探測范圍。 在眾多的實(shí)現(xiàn)方式中， 基于熱光調(diào)制和數(shù)字型的光譜儀結(jié)構(gòu)因其優(yōu)良的性能更容易被推廣應(yīng)用， 適合用于針對寬譜吸收特征樣品的檢測， 如液體和固體等。 而基于MEMS的硅基片上光譜儀無論是在光譜分辨率還是在光譜探測范圍方面， 都已接近實(shí)際應(yīng)用水平。 埃及Si-Ware公司已基于此種光譜儀結(jié)構(gòu)開發(fā)出了NeoSpectra系列產(chǎn)品， 公司開發(fā)的NeoSpectra-Micro產(chǎn)品已內(nèi)嵌入手機(jī)、 美容產(chǎn)品等， 在消費(fèi)市場領(lǐng)域擁有巨大的潛力。 但同時(shí)由于此種類型的光譜儀對MEMS加工工藝要求較高， 若要大規(guī)模推廣應(yīng)用仍面臨成本較高等挑戰(zhàn)。 國內(nèi)在微型光譜儀的研究起步較晚， 且關(guān)鍵的元器件仍主要依賴進(jìn)口且以跟蹤國外的技術(shù)研究為主， 在尺寸、 光譜范圍和光譜分辨率等關(guān)鍵參數(shù)方面和國外差距較大， 針對芯片級光譜儀的研究較少。 整體上， 國內(nèi)生產(chǎn)銷售微型光譜儀產(chǎn)品的公司較少， 主要以代理國外產(chǎn)品為主。 但同時(shí)， 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智能設(shè)備產(chǎn)品的發(fā)展， 微型光譜儀尤其是芯片級的光譜將發(fā)揮不可替代的作用， 市場潛力大。

綜合分析， 芯片級的硅基片上光譜儀未來的發(fā)展趨勢主要包括以下幾個(gè)方面： (1)不同類型的光譜分光結(jié)構(gòu)結(jié)合發(fā)揮作用。 光譜儀的結(jié)構(gòu)將不再單一采用某一種分光結(jié)構(gòu)， 充分利用不同分光方式的優(yōu)勢， 將不同的分光結(jié)構(gòu)綜合采用以實(shí)現(xiàn)所需性能。 (2)系統(tǒng)集成程度越來越高。 隨著光子集成技術(shù)的發(fā)展， 光譜儀的集成度將不斷提升， 光源以及探測器的片上集成會進(jìn)一步發(fā)展。 (3)消費(fèi)類應(yīng)用潛力巨大。 隨著芯片級光譜儀性能的提升和成本的降低， 可以被輕松集成到各種產(chǎn)品和平臺中， 結(jié)合實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理， 可實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)的檢測， 并進(jìn)一步深入食品安全、 家庭空氣質(zhì)量檢測和健康分析等領(lǐng)域， 有著巨大的應(yīng)用潛力。 盡管面臨著諸多挑戰(zhàn)， 但相信隨著硅光加工工藝、 光子集成技術(shù)以及深度學(xué)習(xí)技術(shù)等的發(fā)展， 芯片級光譜儀能在將來發(fā)揮越來越大的作用。