光谱仪作为一种必不可少的光谱分析工具，在材料表征，激光测试，化学分析等方面都有这重要作用。

近期，浙江大学的liuliu团队基于薄膜铌酸锂（tfln）平台，通过单个逻辑控制电路和单个探测器，利用螺旋波导上多模波导光栅形成的反射谐振腔实现了tfln片上光谱仪制备，该片上光谱仪在稀疏光谱下分辨率1pm，5nm的连续谱扫描范围下分辨率为6pm，最高扫描速度可达100Hz。

研究背景

传统的台式光谱仪存在诸多局限性。它体积大、重量大，实际使用时需较大放置空间，搬运不便。价格也十分昂贵，以日本横河 yokogawa 的 AQ6370 系列为例，虽波长带宽覆盖 600～2600nm，分辨率为 100～50pm，但价格常在 20w～30w 左右。

如此高昂的成本，让很多有光谱仪需求但预算有限的单位和个人望而却步。而且其可移动性较差，难以满足一些需在不同地点进行检测的场景需求。

由于传统台式光谱仪的这些缺点，人们开始思考能否通过片上集成的方式来改变现状。片上集成就是尝试把原本体积庞大、结构复杂的台式光谱仪的功能集成到小小的 chip 上。如果能够实现，那么光谱仪的体积将大幅缩小，重量也会减轻，可移动性会大大增强。

一旦实现片上集成，光谱仪的量产化也将成为可能。传统台式光谱仪生产过程复杂，成本高，导致产量受限。而 chip 集成的光谱仪生产流程相对简化，能够在短时间内生产出大量产品，满足更多用户的需求。

技术创新

对于片上光谱仪，在不考虑光谱计算还原等算法方案时，其硬件核心关键在于设计出性能优异的核心部件，就如同要打造一把又快又锋利还好使的西瓜刀。在这项研究里，这把 “西瓜刀” 便是由在薄膜铌酸锂（tfln）螺旋波导上随机分布的多模波导光栅（MWG）构成。

那么 MWG 是怎样对光信号进行处理，如同将大西瓜一刀刀切开的呢？假设在螺旋波导中有一个 TE0 模式正向传输，当它碰到由两个光栅齿组成的小光栅，会产生微弱的布拉格谐振反射。这束 te0 模反射经过 MWG 时，因波导两侧光栅齿形成半个周期平移的非对称设计，te0 模式转化为 te1 反向传播，直至遇到第二个相同的 MWG 再进行谐振反射。

te1 模式在螺旋波导内被 MWG 结构反复弹射，每一次弹射都相当于对光信号进行滤波和压窄，反射波长 λ_B 的精度（半高宽）进一步提升，就像把西瓜刀的刀刃越磨越锋利，使对光信号的处理更加精准。

在流片方面，采用 400nm device layer 的 tfln 晶圆，覆盖 900nm 的 sinx 保护层和 300nm 的金电极。整个螺旋结构长 13.8cm，每 6mm 安排 60 个波导反射光栅，这样的设计保证了结构的合理性和功能性。

整个螺旋结构最大弯曲半径 200um，最小 60um，这种弯曲半径的设置能够保证低弯曲损耗，使光信号在传输过程中减少能量损失，从而让这一基于 MWG 的片上光谱仪硬件核心更好地发挥作用，为片上光谱仪的性能提升奠定基础。

性能测试

研究团队运用此片上光谱仪开展了单光谱还原测试。测试过程中，成功实现了对 1pm 间隔和 5nm 波长带宽的光谱精准还原。这一成果意义重大，展示了该光谱仪在高精度光谱还原方面的强大能力。同时，研究团队还对电压采样精度和波长误差、计算时间之间的相互关系进行了验证，为进一步优化光谱仪性能提供了重要依据。

总的来说，基于薄膜铌酸锂的片上光谱仪采用了可重构光谱技术。这种技术具有显著优势，仅需通过单个逻辑控制电路进行电压采样，并且利用单个 pd 进行功率获取。这样的设计使得整个光谱仪的扫描功耗得到了极大降低，在能源利用效率上有了明显提升。

该光谱仪通过超螺旋波导排列出众多波导光栅反射单元。这种独特的结构设计发挥了关键作用，将光谱分辨率成功提高到 pm 量级，大大提升了光谱仪对光谱细节的分辨能力，能够更精准地分析光谱信息。

基于 tfln 的电光调制，光谱仪实现了 100kHz 的扫描速度。尽管其带宽只有 5nm，但在特定领域依然具有不可忽视的应用价值。在某些高精度气体探测场景中，需要对气体光谱进行高精度分析，该光谱仪的高分辨率和较快扫描速度能够满足这一需求。

在低功耗需求的远距离感知应用中，其低扫描功耗的特点使得它在长时间、远距离的工作中具有优势。因此，这款基于薄膜铌酸锂的片上光谱仪在这些特定领域的使用具有重要意义，为相关领域的发展提供了有力的技术支持。