光谱检测技术广泛应用于气体传感、生物医学检测、环境监测以及工业过程分析等领域。传统光谱仪通常依赖光栅、棱镜或干涉仪等体光学元件完成光谱分离，存在体积大、成本高、集成难等问题，难以满足未来智能终端、物联网设备以及便携式检测系统对于小型化和低功耗的需求。
图1 微腔耦合光子晶体波导光谱仪架构
针对上述问题，上海科技大学信息科学与技术学院邹毅教授团队提出一种微腔耦合光子晶体波导（Microcavity-Coupled Photonic Crystal Waveguide，MPCW）协同架构，在硅基绝缘体平台实现高性能中红外片上计算光谱仪。该架构将光子晶体波导的高色散带边响应与微腔谐振器的窄带光谱特征相结合，通过协同构建高维光谱编码信息，大幅提升了系统的光谱采样能力和信息利用效率。研究以“An efficient mid-infrared computational spectrometer based on synergistic microcavity-coupled photonic crystal waveguides” 为题发表于国际学术期刊《自然-通讯》（Nature Communications）。
图2 封装后的集成光谱仪及其响应
在器件设计方面，通过采用渐变光子晶体波导结构降低反射损耗，并引入L21型光子晶体微腔丰富光谱响应特征，使系统能够在同一波段内同时获取带边响应信息和谐振响应信息，实现更加高效的光谱编码。为进一步拓展工作带宽，团队在单芯片上集成8组具有不同结构参数的MPCW单元，并通过多级分束网络实现光信号均匀分配。同时，利用光子晶体慢光效应增强热光调谐效率，实现低功耗光谱扫描。
图3 具有不同特征光谱的恢复结果
结合基于子空间投影的交替优化方法，使用该系统对若干具有不同特征的光谱进行了重建。实验结果表明，该系统能够在中红外波段100 nm工作带宽内恢复单峰、双峰、宽带、宽窄带混合光谱、CO₂气体吸收谱等复杂光谱信息，并成功分辨间隔仅为0.5 nm的双激光谱峰，实现0.5 nm光谱分辨率。
同时，得益于光子晶体结构优异的色散调控能力以及计算光谱技术的信息编码优势，该平台具有良好的工艺兼容性和波段扩展能力，实验证明该设计可通过简单缩放灵活适配1.3–3.5 μm 的近红外和中红外波段。该研究为高性能中红外集成光谱芯片的发展提供了新的技术路线，并有望在气体传感、生物医学检测和环境监测等领域发挥重要作用。
上海科技大学是该工作的第一完成单位，信息学院博士研究生夏利鹏和孙雨汉为论文共同第一作者。上科大信息学院邹毅教授、新加坡国立大学Chengkuo Lee教授、哈尔滨工业大学徐小川教授、上海大学马逸明教授为论文共同通讯作者。上科大数学所姜嘉骅教授和信息学院叶朝峰教授对该工作进行了指导。该研究得到了上海科技大学材料器件中心和电子学科平台的支持。
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