“據我了解，中國‘嫦娥五号’月球探測器上也配有小型光譜分析儀，除能分析月球常見的礦物組成，還具有研究礦物風化層水合作用的能力。其探測範圍覆蓋可見光到中紅外光，并分别使用 CMOS（Complementary Metal Oxide Semiconductor，互補金屬氧化物半導體）光譜成像、铟镓砷探測器、碲镉汞探測器。

而如果利用我們的納米梁光譜儀，借助其擴展性和移植性，則有望大幅減少探測器種類和數目。除此之外，随着應用目标需求的變更，比如新的工作波段、更大波長範圍等，都可通過類似的設計流程，對器件進行快速叠代，充分發揮納米梁光譜儀的通用化、可定制、靈活性的優勢。比如，對于老百姓來說，将來某天去水果攤隻需手機掃一下，便可知道瓜是不是保熟。”對于課題組研發的納米梁光譜儀，華中科技大學武漢光電國家研究中心教授董建績表示。

圖 | 董建績（來源：董建績）

該納米梁器件具有小尺寸、小模式體積、高 Q 值（衡量電感器件的主要參數）的突出優勢，以及結構多樣的可調性、對各種集成材料平台的兼容性等性能。除了用作光譜儀以外，它在作為滿足集成光子技術發展需求的新型基本單元結構上，同樣有較大的應用潛力。

此前已經有人使用增益材料結合納米梁諧振腔實現了室溫下的連續激光器，還有人結合石墨烯等二維材料制作出高效的熱光調制器。未來有望将這一器件應用到更多的場景，例如發光器件、電光調制器件、力學傳感、氣相探測等領域。

從彩虹到納米梁器件

看似是一個硬件，其背後原理卻要從美麗的彩虹說起。“虹”是一種常見的自然現象。通常雨後轉晴時，陽光射到空中接近球型的小水滴，産生各種顔色的圖譜即自然界的“光譜”。光譜最早是指自然界中的分光圖案，後來拓展到整個電磁波段的輻射能量随波長或頻率的分布。

光譜儀是研究光輻射強度特性随頻率變化的光學儀器，它将不同頻率的光輻射按照一定規律分開，配合一系列機械、電子、計算機等系統，實現對光輻射的精密測定和研究。光譜分析在現代光學應用中有重要的作用，被廣泛應用于工業生産、化學成分分析、環境監測、航天遙感等領域。

傳統的光譜儀存在結構組成複雜、占用體積大、價格昂貴等劣勢，在很多要求便攜式設備的應用場合存在限制。而光譜儀的小型化和集成化，可滿足各種新興光譜分析應用的低成本、小尺寸的需求，比如片上實驗系統、細胞組織檢測分析、乃至移動設備搭載光譜儀等，都是近年來的重要研究方向。

一般的微型化光譜儀，都是通過将傳統的大型台式光譜儀中的色散元件、或者濾波元件使用集成光子技術小型化後得到的。然而，常見的色散分光型和傅裡葉變換型光譜儀，通常需要較長的衍射路徑，才能積累足夠的光程或光程差，從而分辨不同的光譜分量，故而難以兼得小尺寸和高精度。

圖 | 級聯納米梁光譜儀工作原理（來源：Optica）

光譜計算重建（Computational reconstruction）方法，是近年來新興的一種光譜儀實現方法。該方法通過計算機輔助計算重建算法，降低了對光譜分光或濾波的嚴格要求，促使了基于随機結構、量子點、單納米線等新型光譜儀的湧現。

計算重建方法，通過對入射光場和輸出通道間的映射進行預先标定，再借助重建算法并使用計算機進行叠代求解線性方程組，從而求出輸入光譜。這些基于計算重建方法的光譜儀方案，既具有簡單的結構和緊湊的尺寸，同時又表現出更優異的特性。

然而，現有方案存在無法根據需求擴展、不夠靈活的缺點。例如，在材料加工和集成上，基于精細的材料工程、所獲得的材料光譜響應漸變的方案，有着很高的複雜度，由此帶來了高成本和低産率，這也導緻其較難遷移到其他波段。

此外，預校準傳輸響應也會影響光譜儀的準确率。也就是說，構造一系列具有高度正交性的傳輸譜，是提高重建光譜性能的關鍵。

在此之前，該團隊已經對光子晶體納米梁諧振腔器件，建立了良好的研究基礎和積累，比如應用到光開關[1]、高消光比濾波器[2]、通用模塊化光譜儀[3]等。他們發現，納米梁的傳輸譜經過熱調諧後，可以構成一系列正交的基函數，并且納米梁單元還具有易于級聯擴展的特點，有望解決重建型光譜儀的性能限制問題。

圖 | 納米梁單元的熱調諧傳輸譜（來源：Optica）

同時，有别于通過材料成分漸變結構獲得的光譜儀，該方案是基于結構參數漸變，不僅對不同工作波段具有擴展性和移植性，而且制作工藝與标準 CMOS 工藝兼容，無需精細調節材料組份。因此，課題組将納米梁諧振腔與計算重建算法相結合，得到了兼顧小尺寸、可擴展、高分辨率的級聯納米梁光譜儀。

相比傳統的窄帶濾波型光譜儀，重建算法使得分辨率突破了諧振峰半高全寬的限制。而相對于其他重建型光譜儀，窄帶響應提供了高正交性的預校準基函數，這進一步提高了性能。

近日，相關論文以《具有高分辨率和可擴展性的級聯納米梁光譜儀》（Cascaded nanobeam spectrometer with high resolution and scalability）為題，發表在 Optica（IF 11.1）上[4]，張佳晖擔任第一作者，董建績擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Optica）

審稿人給予高度評價：“該工作提出的級聯納米梁光譜儀設計方案是非常新穎的，特别是提高了重建型光譜儀的測量分辨率。”并稱贊納米梁結構具有工作波段可擴展性，非常适合發表在 Optica 上。

借“光”前行，成就新型光儀器

事實上，該團隊很早就注意到微型光譜儀這一領域的發展動态。2013 年，耶魯大學團隊就曾經提出一種基于随機結構的光譜儀[5]，成功實現了 0.5nm 窄峰和 0.75nm 間距雙峰的重建。2015 年，清華大學、麻省理工學院、加州理工大學的研究人員發表了關于量子點光譜儀的論文[6]。2019 年，英國劍橋大學的學者在 Science 上發表了納米線光譜儀的工作[7]。

這些工作分别提出了不同種類的重建型光譜儀，也為此次研究開拓了思路。2021 年，加州大學聖地亞哥分校的團隊提出一種基于分層波導的片上光譜儀，并證明濾波器的傳輸譜正交性對于提高分辨率是至關重要的[8]。

這讓董建績更加深入地思考進一步突破微型化重建光譜儀性能限制的可能性。同時，該團隊也注意到，現有的這些重建光譜儀方案使用的寬譜響應基函數存在難以根據實際需求擴展的問題。這一問題也啟發了他們對納米梁光譜儀的研究。

本質來看，光子晶體納米梁是一種一維光子晶體諧振腔，它呈現出和波導尺寸類似的狹窄條狀梁。當沿着梁的方向刻蝕周期性的孔，孔中部會有破壞晶體周期性的缺陷。形成的缺陷模式光，會被周圍的光子晶體結構約束，僅在缺陷附近形成小模式體積的光場，這就形成了光子晶體諧振腔。

由于具有超小的模式體積，納米梁被視為一種超小型的片上諧振器件，在集成化、微型化應用方面有重要價值，因此也非常适合用作小型化光譜儀的基本單元。

圖 | 納米梁單元結構（來源：Optica）

鑒于此，該團隊希望找到能有效提高分辨率的正交頻譜響應，而納米梁的傳輸譜完美地具備這個特性。同時，基于設計周期結構尺寸而獲得的光子禁帶的納米梁諧振腔不僅易于級聯，還可通過改變結構擴展波段，符合他們對可擴展性能的需要。因此，納米梁是一個符合微型化光譜儀需求的合适器件。

為了實現納米梁光譜儀的設想，該團隊制定了“三步走”的研究計劃。

第一步是空間光譜儀方案。他們将大量納米梁陣列按照空間排布，通過對空間光進行采集獲得不同的頻譜響應，結合重建算法設計了空間光譜儀[3]。在這個階段，課題組對納米梁的加工工藝進行了探索，包括孔徑、波導寬度的工藝誤差對諧振性能的影響，為後續工作打好基礎。

第二步是片上集成化光譜儀方案。引入熱調諧以實現超小尺寸，将納米梁陣列轉化為少量級聯的單元，通過頻率掃描的方式獲得高精度測量[4]。研究中，該團隊進行了一系列優化設計，還在納米梁單元引入部分透過結構以實現 Fano 諧振增強，從而進一步提升性能。

作為分辨率的表征，他們演示了 0.16nm 線寬的窄帶信号以及 0.32nm 間距的雙峰信号的重建，還展示了不對稱雙峰、多峰以及基于3通道級聯單元工作的 16nm 寬帶信号的重建。

圖 | 信号重建結果（來源：Optica）

第三步是高度集成化光譜儀。“這是未來的目标，就是希望把光譜儀和光電探測器、電路高度集成，實現商用化的光譜分析模塊。”董建績表示。

有望用于無人機勘察和寶石鑒定

由于具有小尺寸和高性能的特點，級聯納米梁光譜儀有望在各類微型化、便攜式需求的光譜分析中得到應用。

比如，植被覆蓋率是生态環境的重要指标之一。通過将便攜式光譜儀集成到無人機上，即可采集目标區域的可見光遙感影像，并通過光譜分析地理類型，獲得植被分布情況。不僅可應用于檢測植物的物候狀态，還可用于估算糧食産量、提供環境政策參考。

另外，在寶石考古研究中，由于不同的成因，古代的瑪瑙石具有不同的礦物組成、顔色機理、結構特點。而有些寶石出于文物保護價值，無法移動到實驗室進行組分分析。便攜式的光譜儀就可以很好地解決這個問題。通過對寶石内纖維結構、元素成分的光譜分析，還原出新的曆史信息。

再比如，蔬菜、水果等農産品的成熟度，對農業采摘、市場交易、長途運輸等具有重要的意義，而成熟度較好的水果會在某些波段（通常是紅外）具有特定的光譜特性。對于微型化光譜儀來說，它可利用這一特點檢測水果是否成熟，甚至幫助量化采摘、銷售、保存的最佳時間。某些水果的水分、糖含量、堅實度也可以反映在光譜特性中，這都可以通過便攜式光譜儀設備進行檢測，具有成本低、快速、方便的特點。

此外，得益于納米梁是一種能帶工程器件，可充分發揮其可擴展、可移植的靈活性優勢，組裝成适用性更廣泛的其他商業産品，有望應用在更多集成化、便攜式的使用場景中。

與人交談一次，勝過閉門勞作

未來，該團隊主要有兩方面打算。一方面希望實現集成片上功率探測的完整芯片化光譜分析系統，借此達成工程化應用，進一步開發出相關産品，實現一定的演示功能，并希望和有興趣的公司開展合作。另一方面，在基礎研究上，從不同的能帶結構設計出發，開發出不同波段需求的光譜儀。

董建績表示，每當遇到實際問題或工作難點，大家總能集思廣益、尋找辦法。他說：“我常跟大家講，與人溝通是提高自己的一種有效方式，是一個團隊行穩緻遠的重要基石。溝通不僅體現在老師對學生的引導，還有學長與學弟的傳承，更有成員與成員間的探讨。這個項目攻關曆時 9 年，期間培養了 3 個博士生，而且攻關仍在繼續。列夫托爾斯泰曾說過，‘與人交談一次，往往比多年閉門勞作更能啟發心智。’我想在今後的科研道路上，我們應當繼續保持這種良好的習慣。”

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參考：1、Opt. Lett. 45, 2363-2366 (2020)2、Opt. Lett. 46, 3873-3876 (2021)3、ACS Photonics 9, 74-81 (2022)4、Optica, 9(5), 517-521.(2022)5、Nature Photon 7, 746-751 (2013)6、Nature 523, 67-70 (2015)7、Science, 365, 1017-1020 (2019)8、Nat. Commun. 12, 2704 (2021)

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