光谱仪在许多科学和工业应用中发挥着不可或缺的作用，如材料分析、生物传感、光学层析成像和高光谱成像。传统的台式光谱仪容易受到机械振动的影响，不适合在实验室之外的现场部署。集成光谱仪采用全固态光子集成电路，具有体积小、抗振动强、成本低等优点。然而，大多数报道的集成光谱仪在光谱分辨率和操作带宽之间存在固有的权衡。高光谱分辨率需要较长的光程长度来支持足够的光谱去相关，这导致了较小的自由光谱范围(FSR)。
由香港中文大学电子工程系曾汉基教授带领的科学家团队，开发了一种突破性的方法，克服了芯片级光谱分析的分辨率带宽限制。该方案基于一对相同的可调谐微环谐振腔(MRR)，其中强腔间耦合将每个谐振模式分割为对称模式和反对称模式。这种独特的行为类似于由两个原子组成的两级分子的能级分裂。有趣的是，模式分裂强度与耦合强度成正比。因此，通过设计“光子分子”的色散，分裂强度将在包含多个fsr的整个带宽中变化。当同时调谐两个mrr时，每个波长通道将产生一个不同的扫描轨迹，使重建任何未知的输入频谱成为可能。
使用色散工程光子分子的集成光谱仪的艺术家视图。b该结构由两个相同的可调谐微环形谐振器组成。通过热光学调谐扫描未知的输入光谱以产生输出信号。目标是用校准的传输矩阵从信号中恢复光谱信息。c对于单个谐振腔，不同自由光谱范围(FSR)的信息是不可区分的。如果一对谐振器是强耦合的，那么每个谐振器将分裂成对称模式和反对称模式，这类似于一个两级分子。此外，分裂强度与谐振腔之间的耦合强度成正比。因此，通过调整色散，分裂强度将在多个fsr上变化。d对于间隔为FSR的整数倍的两个波长(λ₂= λ₁+ m∙FSR)，它们的功率扫描迹可以从色散模式分裂引起的不同峰值间距中识别出来。通过这种方式，所有波长通道都去相关，使得重构超出FSR限制的频谱成为可能。 Credit: Hongnan Xu, Yue Qin, Gaolei Hu and Hon Ki Tssang
在实验中，利用光子分子方案获取了大量具有不同复杂特征的测试光谱。所演示的光谱分辨率为40pm，带宽为100nm。值得注意的是，即使存在热噪声，也能保持较高的重建精度。
“我们的光谱仪是一种捕捉高光谱分辨率宽带频谱的新方法。它仅仅依靠一对耦合谐振器。该器件功耗非常低，与主流纳米光子制造技术兼容。”
“光谱仪是基于耦合谐振腔中的模式分裂。这种现象类似于有两个原子的分子的能级分裂。我们设计的特点是配置简单，体积小，可以密集地放置其他设备。我们相信这种方法有潜力应用于未来的手持甚至可穿戴光谱传感器。”
