基于超构透镜辅助阵列波导光栅的微型片上光谱仪
2026-04-16 14:42:25 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员提出了一种紧凑且灵活的片上超构透镜辅助阵列波导光栅（AWG）光谱仪。该方案通过在自由传播区（FPR）中集成片上超构透镜，在显著小型化的同时，提升了功能可扩展性。
光谱仪是分析材料成分、结构和光学性质的重要工具，在环境监测、生物与化学传感、工农业生产、医疗诊断以及天文探测等众多领域发挥着重要作用。随着对便携性和稳定性的需求不断提高，光谱仪的小型化与集成化已成为明显的发展趋势。近年来，基于集成光路（PIC）的片上光谱仪凭借体积小、可靠性高、成本低、功耗低且易于和光电探测器阵列集成的特点，受到了广泛关注。然而，当前技术方案的共同挑战在于，难以在超紧凑的尺寸内实现宽光谱范围的高分辨率，以及兼顾制造兼容性和鲁棒性。
超构透镜（Metalenses）凭借对传播光的相位、振幅和偏振进行调控的独特能力，已成为高性能集成光子学的一项赋能技术。近年，基于超构透镜的光谱仪取得了显著进展。然而，基于超构透镜的光谱仪仍面临多项关键挑战，包括设计复杂度高、固有损耗、效率有限以及依赖CMOS兼容纳米加工工艺且具有严格的公差要求。
据麦姆斯咨询介绍，为解决片上光谱仪在尺寸与光谱性能之间的权衡问题，上海大学微电子学院、上海微技术工业研究院和中国科学院上海微系统与信息技术研究所的联合研究团队提出了一种紧凑且灵活的片上超构透镜辅助阵列波导光栅（AWG）光谱仪。该方案通过在自由传播区（FPR）中集成片上超构透镜，在显著小型化的同时，提升了功能可扩展性。相关研究成果已经以“Compact and Flexible on-Chip Spectrometer Based on Metalens-Assisted Arrayed Waveguide Grating”为题发表于IEEE Photonics Journal。
该光谱仪主要由级联多模干涉（MMI）耦合器、阵列波导以及集成于FPR内的片上超构透镜组成。阵列波导由一系列设计有光程差的波导构成，可实现与波长相关的光束操控，通过改变光程差能够调整光束扫描速率与范围。片上超构透镜由亚波长刻蚀狭缝构成，通过对其纳米级尺寸的精细设计，可实现精准的波前调控与波长分离。利用其傅里叶变换特性，超构透镜将不同波长的光聚焦于焦平面的不同位置，从而完成波长到空间的映射。将超构透镜集成至FPR中，减小了FPR的尺寸，实现了光谱仪的小型化。与传统的12通道AWG光谱仪相比，该设计在保持性能的前提下显著缩小了器件尺寸。
原理与设计
图1展示了超构透镜辅助片上AWG光谱仪的结构示意图。当待测输入横电（TE）光注入到器件后，首先通过多级MMI耦合器均匀分配到多个通道中。随后，每个通道的光信号进入阵列波导结构，该结构由一系列路径长度不同的波导构成。相同波长的光在通过这些不同长度的波导传播后会累积不同的相位延迟，从而在阵列波导结构的输出端形成特定的相位分布。通过空间傅里叶变换，不同波长的光会在超构透镜焦平面的不同空间位置发生相长干涉，进而聚焦到不同的点。每个空间位置对应设计波长范围1480 nm～1580 nm的特定波长λ，其光强代表对应波长的光功率。输出波导精准对准这些焦平面位置以收集分离的波长通道，进而实现光谱分析和光束识别功能。
图1（a）片上超构透镜辅助AWG光谱仪的配置；（b）制备的集成光谱仪的显微图像；（c）片上超构透镜区域的显微图像；（d）制备的片上超构透镜结构的SEM图像。
该片上超构透镜的工作波长设计为1550 nm，由一系列刻蚀在绝缘体上硅（SOI）衬底上的矩形狭缝构成。图2展示了所设计的单元结构示意图，其中W、L、P分别代表缝宽、缝长和单元周期。为在y轴方向实现精准的相位调制，单元周期固定为500 nm，该数值小于工作波长的一半。通过精准控制狭缝的宽度和长度，可对入射光施加精确的相位延迟，从而实现波前整形。为保证制造稳定性，该设计中W固定为200 nm，仅调整L在0.2 μm～3 μm范围内变化。该设计在透射率保持80%以上的前提下，实现了0至2π的连续相位覆盖，既具备高的透射效率，又拥有有效的相位累积能力，可实现精准的光学操控。
图2 针对目标波长1550 nm的片上超构透镜仿真设计
制造与实验表征
该研究提出的片上超构透镜辅助光谱仪通过上海微技术工业研究院的8英寸硅光子学中试平台制备而成。传统的硅基超构透镜由于具有亚波长特征尺寸，其制造通常需要电子束光刻（EBL），这与大规模集成工艺不兼容。该研究设计的超构透镜光谱仪的最小临界尺寸为200 nm，完全处于标准硅光子工艺的制造能力范围，从而可以实现晶圆级大规模量产。
图3 不同光程差（ΔL）下的实验表征与光谱重构
研究人员制备了阵列波导光程差（ΔL）分别为20 μm和30 μm的两种光谱仪并开展实验表征，测量了其光谱响应，随后进行了详细的数据分析与光谱重构。重构结果显示，ΔL=20 μm的光谱仪FSR为28 nm，分辨率达1.31 nm；ΔL=30 μm的器件FSR为18.8 nm，分辨率为0.935 nm。该结果进一步验证了设计原理的有效性以及器件性能的可调性。与传统AWG光谱仪相比，本设计将片上超构透镜集成于FPR中，不仅实现了器件尺寸的大幅缩减，还具备灵活的性能调控能力。研究人员通过下表总结了所提出器件与其他先进AWG光谱仪之间的性能对比，该设计在紧凑尺寸和高分辨率方面均表现出色。
表1 片上AWG光谱仪对比
结论
该研究对用于光谱分析和光束识别的片上超构透镜辅助AWG光谱仪开展了系统性研究。通过将超构透镜实现的精准波前调控与硅光子波导集成，该方案构建了一种高性能、微型化且高性价比的片上光谱分析系统。
实验结果证实，在保持超构透镜结构固定的前提下，通过调整阵列波导参数可选择性调控光谱仪的分辨率与FSR。该架构为实现可扩展且高度集成的片上光谱系统提供了极具前景的技术路径。其设计灵活性与性能可调性，在便携式传感、光通信和光谱成像等领域具有重要应用潜力。同时，超构透镜与其它光子器件的集成，为构建全集成光电子系统及智能光子处理器开辟了全新可能。
此外，通过集成片上光电探测器阵列以替代外部读出电路，该架构有望开发单片式光谱传感芯片，大幅提升系统的集成度、运行稳定性与可制造性。进一步，采用逆向设计等方法优化超构透镜的相位分布，可在更宽波长范围内实现更高的聚焦效率与更低的传输损耗，从而提升整体光学性能与信噪比。展望未来，该架构还可拓展至可见光及其它光谱波段，满足更广泛的光谱分析与传感应用需求。
论文信息：DOI: 10.1109/JPHOT.2026.3672403
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