计算式光谱仪利用压缩感知原理和宽带滤波器实现光谱重建，可大幅降低测试次数和所需硬件数量，从而提高系统动态范围、拓宽工作温度范围，是满足芯片级光谱分析市场需求的有效技术路径。计算式光谱分析系统一般包含数十个宽带滤波器。在众多种宽带滤波器结构中，分层波导滤波器因其具有极小的尺寸和较低的插入损耗成为最优选择之一，如图1所示。但该滤波器具有大量的待调结构参数，使得整个系统的设计参数多达上千个。传统的设计思路难以优化数量如此庞大的参数，只能采用随机设计策略实现参数选择。这必然导致光谱仪性能不可控，难以达到最优。
近日，天元实验室研究团队将逆向设计理念引入至计算式光谱分析系统的设计。通过建立多器件协同优化体系，在优化单个器件时充分考虑到其余器件的影响，从而将数千个系统级参数优化降维至数十个器件级参数优化，大幅降低了优化难度和时间。同时，基于粒子群算法、以最优光谱仪性能为目标实现了单个宽带滤波器的高效逆向优化（如图2），最终构建出包含64个宽带滤波器的复杂计算式光谱分析芯片。核心性能指标相比前期基于随机设计方法构建的芯片提升了4-10，如图3所示。该工作为复杂计算式光谱分析芯片提供了全新的设计思路，可有效推进集成光谱仪的实用化进程。
该工作以“An Inversely Designed Reconstructive Spectrometer on SiN Platform”为题发表于Laser & Photonics Reviews（影响因子11.0）。天元实验室潘时龙教授为通讯作者，李昂教授为第一作者。
图1 分层波导滤波器结构图和计算式光谱仪芯片示意图
图2 基于逆向设计的计算式光谱仪设计流程图和仿真结果
图3 芯片照片、SEM图片和测试结果
论文信息
A. Li, F. Bao, Y. Wu, C. Wang, J. He and S. Pan, “An Inversely Designed Reconstructive Spectrometer on SiN Platform”, Laser & Photonics Reviews, vol. 18, 2301107 (2024). (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/lpor.202301107)