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图1 基于薄膜铌酸锂电光调谐傅里叶变换光谱仪的结构示意图（a）和调制区横截面图（b）。
1. 导读
光谱仪广泛应用于光源校准、化学和生物医学分析、农业监测和卫星遥感等各种场景。台式光谱仪的大尺寸、昂贵价格和振动敏感性等特点限制了其在便携式设备中的应用，而片上光谱仪具有尺寸、成本及稳定性等方面的独特优势。目前为止已经有许多芯片级光谱仪在集成光子平台上进行了演示，主要分为色散型、窄带滤波型、傅里叶变换型以及计算重构型。其中，傅里叶变换光谱仪由于可以同时检测更宽的光谱带宽且具有良好的信噪比在红外波段光谱测量中具有广泛应用。然而，在保证分辨率与带宽的同时实现低能耗、快速扫描的高性能片上傅里叶变换光谱仪依然非常具有挑战性。近日浙江大学刘柳副教授团队提出了薄膜铌酸锂平台电光调谐傅里叶变换光谱仪结构。通过利用低损耗螺旋线波导马赫曾德尔干涉(MZI)结构，实现了0.14V的超低半波电压电光调制光谱仪。器件尺寸为17.67mm2，片上光损耗仅为5.5dB。该光谱仪在-100V至+100V范围和100KHz的高速电压扫描下展示了2.1nm的高分辨率和100nm带宽的光谱恢复，同时具有毫瓦级的低功耗以及微焦级的超低能耗。2. 研究背景
傅里叶变换光谱仪在硅基平台已经演示了纳米级高分辨率以及数百纳米大带宽。然而，基于热光效应的折射率调制需要数瓦级高加热功率，限制了其在便携设备中的应用，高温导致的热膨胀和热光非线性还增加了光谱恢复的复杂性。同时，热光效应的响应时间也将光谱扫描频率限制在几赫兹，不利于光谱快速测量。铌酸锂由于具有快速电光响应、高线性电光系数、宽光学透明窗口和超低光学损耗，被广泛应用于商业调制器。相比于体材料，薄膜铌酸锂具有更高的折射率对比度，大大增强了波导对光模场的束缚能力和电光调制效率。研究人员利用铌酸锂波导中反向传播光形成驻波并通过倏逝波采样制备了片上驻波傅里叶变换光谱仪，再结合电光调制扩展采样精度，实现了大的光谱带宽以及良好的分辨率。然而，利用密集的探测器阵列来捕获空间干涉图，降低了采样信噪比并增加了制造难度。还有在薄膜铌酸锂利用标准调制器结构实现傅里叶变换光谱恢复，但其高半波电压将光谱分辨率限制在数百纳米，无法满足正常光谱测量需求。因此，在保证傅里叶光谱仪分辨率以及带宽的同时，利用铌酸锂电光调制特性实现快速低功耗扫描仍然具有挑战性。3. 创新研究
针对上述挑战，团队提出了利用螺旋线波导MZI结构实现超低半波电压的薄膜铌酸锂傅里叶光谱仪（见图1）。利用螺旋线结构获得远超普通调制器的调制长度，并通过推挽排列的集总电极施加电压获取电压扫描干涉图，实现了大光程差扫描，将电光调谐傅里叶光谱仪分辨率提高到纳米量级。另外，研究者将低损耗自由曲线弯曲以及欧拉弯曲应用于螺旋线中，在保证损耗的同时尽可能减小了器件尺寸。整个测试由计算机编程控制，实验装置如图2所示。![]()
图2 电光调谐傅里叶变换光谱仪实验测试装置图
光谱仪的校准包括两个步骤。如图3所示，首先测量了半波电压与波长之间的关系，并基于线性电光效应近似拟合。接着，考虑到制造误差导致非等臂MZI，利用二维电压和波长扫描找出光谱仪器件自身传输谱作为归一化传输谱。![]()
图3 傅里叶变换光谱仪的校准。（a）半波电压与波长之间的关系。（b）输出响应的电压和波长映射。（c）在零电压（黄色虚线）和2.7V电压（红色虚线）零光程差下的传输谱。
接着，测试了不同扫描频率下单波长激光器的光谱恢复能力。图4展示了驱动电压与干涉图关系，并根据傅里叶及坐标变换恢复光谱。单波长恢复光谱半峰全宽约为2.1
nm，与理论计算符合。同时，在1kHZ、10kHZ和100kHZ不同扫描频率下都能实现精准的光谱恢复。可以看出，随着扫描速度增加所需功耗逐渐增加，但即使在100kHZ快速扫描下铌酸锂电光调谐傅里叶光谱仪功耗仍远低于硅基热光调谐设备。![]()
图4 单波长激光光谱恢复。（a）使用1530nm单波长输入的时域扫描电压和干涉图。（b）在干涉图上使用高斯窗口和不使用高斯窗口的情况下相应恢复光谱。（c）在1KHz、10KHz和100KHz扫描频率下恢复1480nm、1530nm和1580nm单波长输入的光谱。
团队又进一步验证了光谱仪对双波长激光以及宽带光谱恢复能力。图5（a）（b）显示了光谱仪在不同功率和波长输入下的准确光谱恢复。放大自发辐射（ASE）宽带光源测量的干涉图以及恢复光谱如图5（c）（d）所示。可以看出，快速扫描获取的干涉图与理论干涉图以及通过傅里叶变换恢复光谱与商用光谱分析仪测量光谱都有良好的符合。另外，恢复频谱中的微小振荡可能来自实验期间电子设备和非屏蔽馈线的50 HZ工频干扰，芯片封装能够缓解这一问题。![]()
图5 通过改变（a）激光器的功率和（b）激光的波长，使用双激光输入重建光谱。（a）插图显示了恢复的峰值与实际激光功率之间的线性关系。（b）插图显示了1529.95nm和1534nm激光输入的电压干涉图。（c） ASE宽带光输入的测量干涉图。黑色曲线（插图）表示计算出的理论干涉图，红色和绿色框为干涉图的放大视图。（d）恢复的ASE光谱（红色曲线）和商用光谱仪测量的光谱（已归一化器件本身的传输响应）。
4. 应用与展望
研究团队在薄膜铌酸锂平台上展示了一种高分辨率集成傅里叶变换光谱仪。利用低损耗螺旋波导干涉臂MZI结构实现了0.14V低半波电压电光调制，并基于铌酸锂线性和快速电光效应在高速扫描下实现了100nm带宽以及2.1nm高分辨率光谱恢复。此外，纯电容电极使得光谱仪保持极低的扫描功率和能耗。薄膜铌酸锂傅里叶变换光谱仪未来在高速生物和化学传感、高光谱成像和低功耗遥感设备等应用中具有潜力。该研究成果以“Fast and low energy-consumption integrated
Fourier-transform spectrometer based on thin-film lithium niobate”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Xijie Wang, Ziliang
Ruan, Kaixuan Chen, Gengxin Chen, Mai Wang, Bin Chen, and Liu Liu，其中Xijie Wang（王玺杰）博士生为本文第一作者，Liu Liu（刘柳）副教授为通讯作者。该工作获得国家自然科学基金等项目支持。
