集成光波导静态傅立叶微光谱仪分辨率增强方法研究

Miniature Fourier Transform spectrometers (FTS) show a bright prospect in future applications for on-site rapid bio-/chemical detection and aerospace spectral remote sensing. However, the spectral resolution of the existing miniature FTS is rather low, which inhibits the practical applications of the device. We also encountered this key scientific issue during the continuous study of LiNbO3 (LN) waveguide based miniature static and low-power FTS. There are two main approaches to enhancing the spectral resolution of FTS: one approach is extending the maximum optical pathlength difference (OPD) of the interferometer, and another approach is establishing the spectral resolution enhancement algorithm. This project aims at development of novel methods for improving the spectral resolution of the LN electro-optic waveguide based miniature FTS. To realize this goal, the following specific topics will be studied: (1) a novel LN waveguide interferometer will be designed, in which the end-face slant reflection configuration will be used to connect two adjacent parallel arms for extension of the maximum OPD under the condition of keeping the device size unchanged; (2) an appropriate algorithm for expanding the time-domain interferogram data will be created based on a combination of the Autoregressive model and the Maximum Entropy Method and the Linear Prediction; (3) finally, a new method for multi-level enhancement of FTS resolution will be established by combination of the maximum OPD extension and the interferogram data expansion, and at least 10-fold enhancement of the spectral resolution of the LN waveguide based miniature FTS will be realized in this project. The successful implementation of the project will play the foundation for development of practical high-resolution miniature static FTS.

微小型傅立叶变换光谱仪(FTS)在现场快速生化探测和航空航天光谱遥感等方面具有广阔的应用前景。可是，光谱分辨率的不足严重制约了微小型FTS的实用化进程。我们在对基于LiNbO3（LN）电光调制集成光波导的小型静态FTS的持续研究过程中同样遇到这个关键科学问题。提高FTS光谱分辨率的途径主要有两条：一条是扩展干涉仪的最大光程差，另一条是建立光谱分辨率增强算法。本项目拟一方面仿真设计新型LN集成光波导干涉仪结构，提出采用端面斜反射方式连接相邻平行干涉臂，从而在不增大芯片尺寸的条件下加长干涉臂，实现最大光程差的扩增；另一方面，基于自回归模型、最大熵谱估计法和线性预测法的有机结合，构建FTS光谱分辨率增强算法，以此扩展实验测得的干涉谱数据序列。通过融合最大光程差扩增和干涉谱数据序列扩展两途径，建立一种多层次综合提高LN波导FTS光谱分辨率的新方法，为研发实用化的高分辨微小型静态FTS奠定基础。

基于钛扩散铌酸锂（LN）波导电光调制器的片上静态傅里叶光谱仪（FTS）光谱分辨率较差，已经成为制约其走向实际应用的瓶颈。本项目从器件结构和解调算法两个层面研究解决其光谱分辨率不足的难题，取得的主要成果包括：（1）提出了基于端面斜反射的折叠型LN三维光波导结构并完成了仿真设计。该结构由N条平行波导和连接相邻波导的端面斜反射结构组成，利用该结构作为Mach-Zehnder干涉仪的双臂，可使LN基静态FTS的光谱分辨率增强2(N-1)倍；（2）提出了一种截断奇异值分解法（TSVD）与前后向线性预测法（FBLP）组合的光谱分辨率增强算法，再结合LN基电光调制器半波电压色散方程，建立了适用于波导色散器件的TSVD-FBLP分辨率增强型光谱重建方法，仿真验证了该方法能够在保证光谱不失真的前提下将光谱分辨率提高至少3倍；（3）通过改进市售LN基电光调制器，构建了微小型静态FTS原理样机，验证了TSVD-FBLP分辨率增强型光谱重建方法的有效性，实验结果表明分辨率增强的LN基静态FTS具备光谱定量分析本领；（4）提出了基于铌酸锂单晶薄膜（LNOI）电光器件的片上静态高分辨FTS研究方案，获中科院空天信息创新研究院前沿科学与颠覆性技术项目资助，通过从国外引进杰出人才，开展了相关研究工作，初步研究指出当电极作用长度为4.5cm时这种新型FTS的光谱分辨率可低于3 nm。. 在项目执行期间，项目组发表期刊论文14篇（SCI收录13篇），会议论文4篇，获得授权发明专利7项，在国内外学术会议上作邀请报告5次，邀请国外知名专家来华开展学术交流一次，引进中科院百人计划1名，出站博士后1名，毕业博士2名和硕士4名，其中，万秀美博士获中科院院长优秀奖，项目负责人祁志美获享国务院政府特殊津贴，晋升二级研究员，并受聘为中国信息与电子工程科技发展战略研究中心专家委员会特聘研究员，2020年兼任国科大岗位教师。