光谱仪的设计长期面临结构复杂性与体积庞大化的双重挑战。为实现高分辨率，传统光谱仪通常依赖精密光学元件构筑的长光路系统，导致设备难以实现集成化与便携化。

日前，韩国国民大学研究团队开发出基于模式分解的片上光子学光谱仪，采用有效折射率法将优化计算量降低两个数量级，并利用电子束光刻技术在硅基平台实现器件制备。实验验证显示，该12通道微型光谱仪可实现0.1纳米级光谱重建精度，在保持高分辨率的同时成功突破传统器件的体积限制。

研究背景

光谱仪是光学系统中的核心设备，广泛应用于通信、生物医学、传感和材料分析等领域，尤其在片上光子学中具有重要地位。

传统光谱仪是片上光子学发展的绊脚石。它靠衍射光栅分光获高分辨率，却以大体积为代价，在追求紧凑化设计的片上光子学领域格格不入，无法满足集成化需求。同时，其传统设计方法耗时耗力，优化如在黑暗摸索，需反复试验，耗费大量人力、物力与时间成本。

近年来，逆向设计如同一股清新的春风，吹进了光学设计领域。作为一种基于优化算法的新兴技术，它借助计算机强大的模拟能力，能够同时进行预测和优化。这种独特的设计方式，犹如为设计师们开启了一扇便捷之门，大大提升了设计效率。逆向设计已经在多种光子器件中取得了成功应用，展现出了巨大的潜力和优势。

但是，对于片上光谱仪而言，逆向设计并非一帆风顺。在对片上光谱仪进行逆向设计时，复杂的三维结构优化犹如一座难以逾越的高山，横亘在面前。其所需的高计算资源和漫长的时间成本，成为了逆向设计在片上光谱仪应用中的巨大挑战。

技术创新

创新性地提出了一种尺寸仅为 10×34 微米 ² 的 12 通道模式分解光谱仪。这一成果的意义非凡，要知道，传统光谱仪始终在高分辨率与小尺寸之间徘徊不前，犹如陷入了两难的困境。而这款新型光谱仪不仅显著缩小了体积，还成功实现了高达 0.1 纳米的光谱分辨率，一举突破了这一长期存在的技术瓶颈，为片上光子学的发展开辟了新的道路。

为了进一步优化设计，降低计算资源的需求，研究团队巧妙地引入了有效折射率方法。此方法如同给复杂的计算过程找到了一条捷径，将原本复杂的三维优化简化为二维计算。这一转变意义重大，不仅大幅减少了计算时间，更为关键的是，在缩短计算时长的同时，依然保持了高性能的设计标准，使得光谱仪在实际应用中更具可行性和实用性。

在模式分解和光谱重构方面，这款光谱仪展现出了卓越的性能。在模拟过程中，其模式分解效率高达 0.95，这一数据直观地体现了它在模式分解方面的强大能力。而实验验证的光谱重构归一化交叉相关性（NCC）更是达到了 0.99，如此之高的数值，充分显示了该光谱仪在光谱重构上的极高精度，能够为后续的数据分析提供可靠的基础。

此外，该光谱仪基于硅覆盖氧化物（SOI）平台进行设计。值得一提的是，它借助电子束光刻等成熟工艺进行制造。这种基于成熟工艺的设计，使得光谱仪的制造过程更加稳定和可控。而且，其设计简洁明了，这不仅降低了制造难度，更重要的是易于实现大规模生产，为其广泛应用奠定了坚实基础。

重大跨越

在光谱分析领域的探索中，该研究犹如一盏明灯，通过模式分解原理对光谱信息进行重构，在计算方法和制备工艺这两个关键维度上取得了重大突破，为整个领域的发展带来了新的曙光。

首先，在算法层面，研究团队创新性地引入了有效折射率模型。这一举措堪称神来之笔。它使得优化效率获得了百倍提升，大大缩短了计算时间，让原本漫长的计算过程变得迅速而高效，为光谱分析的快速发展奠定了坚实的算法基础。

其次，在制备工艺方面，研究团队成功采用硅基集成工艺制备出微型化器件。硅基材料因其良好的电学和光学性能，在半导体领域广泛应用。借助硅基集成工艺，研究团队得以将光谱分析器件的尺寸大幅缩小，实现了微型化。

再者，通过精心构建的 12 通道系统，该微型化器件实现了 0.1 nm 级的超高光谱重构精度。这一精度在光谱分析领域具有里程碑式的意义。高光谱重构精度意味着能够更精确地解析光谱信息，捕捉到极其细微的光谱差异，从而为科研、医疗、环境监测等众多领域提供更为准确的数据支持。

值得一提的是，该研究在亚微米尺度上成功突破了传统光谱仪器件体积与分辨率相互制约的物理瓶颈，为片上光谱分析系统的发展开辟了全新的路径。