密排光波導(dǎo)多目標光譜探測技術(shù)研究

林棟，朱壯壯，馮吉軍，何晉平，5

（1 中國科學(xué)院國家天文臺南京天文光學(xué)技術(shù)研究所 太陽與空間儀器研究室，南京 210042）

（2 中國科學(xué)院天文光學(xué)技術(shù)重點實驗室，南京 210042）

（3 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

（4 上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093）

（5 中國科學(xué)院大學(xué)南京學(xué)院，南京 211135）

0 引言

多目標光譜探測能夠同時獲得大量天體的光譜信息，已成為天文觀測最重要的科學(xué)手段之一。近些年來，隨著郭守敬望遠鏡（The Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopic Telescope， LAMOST）［1］、Sloan Digital Sky Survey 望遠鏡（SDSS）［2］、Large Synoptic Survey Telescope（LSST）［3］、The Dark Energy Spectroscopic Instrument（DESI）［4］等巡天計劃的順利開展，為天文學(xué)研究帶來數(shù)千萬條天體光譜數(shù)據(jù)，如，截止2023年2月2日，僅LAMOST 就對外發(fā)布了1 946 萬條光譜數(shù)據(jù)（其中低分辨數(shù)據(jù)1 121 萬條，中分辨率非時域數(shù)據(jù)184 萬條，中分辨率時域數(shù)據(jù)641 萬條）及873 萬條恒星參數(shù)［5］。利用上述海量光譜數(shù)據(jù)，天文學(xué)家在銀河系結(jié)構(gòu)演化［6-7］、系外行星探測及研究［8-9］、宇宙大尺度結(jié)構(gòu)及演化［10-11］等方面做出眾多重要產(chǎn)出，切實推動了天文學(xué)研究的發(fā)展。

然而，宇宙天體數(shù)量巨大，僅星系就可能超過1 000 億，而星系中的各類天體數(shù)量更是極為龐大，如，銀河系就有1 000 億到4 000 億顆恒星。顯然，與海量宇宙天體數(shù)量相比，目前已獲得的千萬量級的天體光譜數(shù)據(jù)依然只是滄海一粟，還有極大的提升空間。為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，天文領(lǐng)域近年建設(shè)了至少14 架大尺度光譜巡天專用望遠鏡［12］，而Keck［13-14］、Subaru［15］、LBT（Large Binocular Telescope）等8～10 m 級望遠鏡上也配備了多目標光譜儀。除了建造更多光譜望遠鏡外，增加同時觀測目標數(shù)目也是提高多目標光譜探測效率的手段之一。我國于2009年自主建設(shè)研制成功的LAMOST 能同時探測4 000 個目標的光譜，經(jīng)10 余年巡天獲得了海量天體的光譜數(shù)據(jù)，被稱為“光譜之王”［16］；而在2021年，DESI 將這一參數(shù)刷新到5 000 個天體目標，成為目前全世界同時探測光譜數(shù)目最多的望遠鏡［17］；近些年，中國天文學(xué)界在積極推進LAMOST 二期工程及另一個新的6.5 m 級光譜巡天望遠鏡MUST（Multiplexed Survey Telescope）的立項工作，預(yù)計它們同時探測光譜數(shù)目將被提高到10 000 以上，使我國在大規(guī)模光譜巡天技術(shù)及對應(yīng)的天文科學(xué)研究中均持續(xù)保持世界領(lǐng)先。當然，同時探測如此多的目標光譜，在技術(shù)上也具有極大挑戰(zhàn)。

目前，天文多目標光譜探測一般基于光纖光譜儀［18-20］，大量光纖在望遠鏡焦面處采集多目標信號，之后在光譜儀輸入端狹縫處形成一維密排，最終實現(xiàn)多目標在同一光譜儀上的光譜探測。這種光纖多目標光譜儀相較于最初的狹縫多目標光譜儀，具有高的探測器利用效率及視向速度測量精度，同時觀測的目標數(shù)量也高了一個數(shù)量級以上［21］。然而，光纖多目標光譜儀在進一步提升光纖密排性方面依然存在一定挑戰(zhàn)［22］。密排結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有水平下可以將相鄰光纖間距縮小至127 μm 左右（光纖直徑125 μm），在密排性上已做到極致。然而，由于光纖傳光時光能量主要局域于芯層，每根光纖獨立擁有的厚的包層限制了纖芯間距的進一步縮小，進而可能影響價格極其昂貴的天文探測器的像素利用效率。尤其對于空間或地面視寧度好（大氣擾動對望遠鏡成像質(zhì)量影響較小的地區(qū)）的臺址（如南極Dome A 地區(qū)），小的光纖纖芯即可實現(xiàn)信號的高效率耦合，使得探測器利用效率問題更為嚴重。

本文提出并實驗驗證了以密集排布波導(dǎo)替代光纖陣列作為多目標光譜儀輸入機構(gòu)的方案，有效減小了大的光纖包層對光纖空間排布緊密性的影響，提高了探測器利用效率；同時，由于波導(dǎo)陣列中各波導(dǎo)均被刻蝕在同一塊芯片內(nèi)，波導(dǎo)間幾無空間移動，使得探測器上各通道間的光譜幾無相對漂移，提高了波長精度或視向速度探測精度。該方案有望在未來天文多目標/積分視場光譜觀測中得到應(yīng)用，尤其是空間或視寧度較好臺址下的光譜巡天應(yīng)用。

1 密排波導(dǎo)多目標輸入原理

光纖是最常用的光譜儀輸入形式，其通過V 型槽進行密排可以實現(xiàn)包覆層的近乎完全貼合，其原理如圖1。

圖1 多目標光纖光譜儀中常用光纖密排結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Typical fiber bundle arrangement in a multi-object fiber spectrograph

波導(dǎo)是光子芯片的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)光的局域及傳導(dǎo)，與光纖可起到類似作用。本文涉及的密排波導(dǎo)多目標輸入原理參考圖2 所示，多根光纖將多個目標的光信號傳導(dǎo)至光芯片端面，并通過芯片封裝技術(shù)將信號光高效率的耦合進芯片對應(yīng)的波導(dǎo)波導(dǎo)中，再利用S 型波導(dǎo)有效減小各目標通道（此時對應(yīng)各波導(dǎo)）間的空間間距，最終在輸出端形成極小間距的密排波導(dǎo)陣列輸出。這種輸出的光束間隔可以較容易做到小于30μm 甚至是數(shù)個微米，光束占空比高，有助于提高后續(xù)多目標光譜探測時探測器的利用效率。

圖2 波導(dǎo)重排布芯片功能示意圖Fig.2 Functional diagram of waveguide realignment chip

本文從原理上討論光纖密排（圖1 所示）和波導(dǎo)密排（圖2 所示）時的多目標光譜探測差異。在色散方向與光束排布方向完全垂直的前提下，以光纖陣列作為輸入的多目標光譜在探測器靶面上的占空比取決于光纖芯徑與光纖間隔的比值，而以波導(dǎo)陣列作為輸入的多目標光譜技術(shù)能夠獲得的占空比取決于波導(dǎo)寬度與波導(dǎo)間隔的比值。因此，波導(dǎo)光束重排多目標光譜技術(shù)相較光纖多目標光譜技術(shù)在相同視場角下觀測數(shù)量的對比如式（1）。

式中，Wcore，Dcore分別代表波導(dǎo)的寬度和纖芯的芯徑，Dfiber，Dwaveguide分別代表光纖間隔和波導(dǎo)間隔。光纖間隔由于光纖包層的存在，其取值一般不低于125 μm，波導(dǎo)間隔只受限于相鄰?fù)ǖ篱g的串擾，其取值遠小于100 μm，以較為常見的石英波導(dǎo)為例，其間隔可以做到低于20 μm。如果纖芯和波導(dǎo)寬度相近，則波導(dǎo)密排較光纖密排方案在探測器利用效率上可提高若干倍（按上述參數(shù)可提高6 倍以上）。圖3 給出了光纖間隔為125 μm （a）以及波導(dǎo)間隔為40 μm （b）條件下兩種密排方案的效果圖，可以清晰的看到波導(dǎo)密排結(jié)構(gòu)較光纖密排結(jié)構(gòu)在探測器利用效率有明顯提升。

圖3 兩種密排結(jié)構(gòu)下多目標光譜探測時探測器利用效率對比Fig.3 The comparison of detector utilization efficiency for multi-object spectroscopy under two different bundle arrangements

2 設(shè)計與仿真

2.1 芯片設(shè)計

為驗證波導(dǎo)密排的可行性，并且基于二氧化硅波導(dǎo)工藝的成熟度較高以及便于封裝的考慮，我們設(shè)計了和圖2 一致構(gòu)型的波導(dǎo)陣列光子芯片。其中輸入端光纖陣列的間距為127 μm，輸出端波導(dǎo)陣列間距為30 μm，此外為了避免彎曲損耗以及光芯片尺寸過小帶來的機械夾持問題，最小的S 型波導(dǎo)曲率半徑設(shè)計為2.2 mm，使得整體的器件尺寸能接近10 mm×1.5 mm。

2.2 實驗仿真

在實際實驗驗證前，我們進行了基于光纖密排及波導(dǎo)密排的多目標光譜探測的仿真，以比較這兩種多目標光信號輸入方案在探測器利用效率上的差異。仿真光路采用了如圖6 所示的經(jīng)典光柵光譜儀結(jié)構(gòu)，以光柵作為色散器件，其色散方向與光波導(dǎo)陣列的排布方向垂直以獲取規(guī)整的多目標光譜。在參數(shù)設(shè)置上，準直拋物面鏡和成像透鏡的焦距分別為100 mm 和150 mm，工作波長以1 nm 的間隔從1 550 nm 遞增至1 558 nm。仿真中，以光纖輸入及波導(dǎo)輸入下相鄰?fù)ǖ篱g的間隔分別設(shè)為127 μm 和30 μm，數(shù)值仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 波導(dǎo)密排與光纖密排下探測器預(yù)期觀測結(jié)果Fig.4 expected observation results of detectors under bundled waveguides and fibers

由圖4（a）與4（b）可知，在探測相同數(shù)量的目標光譜的情況下，波導(dǎo)密排的方式所占用的探測器靶面更小，并且同時保證了目標光譜間的互不干擾。在色散方向上，無論是波導(dǎo)密排還是光纖密排都不影響一維光譜的展開，而在垂直于色散方向上的探測器利用尺寸取決于通道的間隔。圖4（c）和4（d）分別展示了1 554 nm 輸入下波導(dǎo)密排與光纖密排條件下，8 通道分別獲取的單波長光強以及空間分布，橫坐標代表探測器上像素所在的空間位置，縱坐標為歸一化光強。從截線方向上來看，波導(dǎo)密排與光纖密排所成的像，其半高全寬所占據(jù)的像素是一致的，但圖4（c）中實際利用空間僅是圖4（d）的0.25 倍，因此可以得出結(jié)論波導(dǎo)密排多目標光譜相較于光纖排布獲得的光譜，占空比獲得了4 倍的提升。圖4（c）和4（d）存在的光強分布不相等的原因在于仿真里設(shè)置的光學(xué)器件參數(shù)均參考索雷博官網(wǎng)，因此并不是完全理想的光學(xué)系統(tǒng)，不同離軸量的光源排布存在像差，從而造成截線方向上光強的起伏。

值得注意的是，仿真中使用的光源是點光源，但是受限于光學(xué)系統(tǒng)的分辨率，光源在探測器上所成的像半高寬為8 μm，這表示多目標光譜在探測器上的占空比不僅與光源的尺寸、間距有關(guān)，還與光學(xué)系統(tǒng)本身的空間分辨率密切相關(guān)。在實際的天文觀測中，光學(xué)系統(tǒng)往往能夠優(yōu)化到衍射極限，其空間分辨能力可以做到優(yōu)于芯徑的尺寸，因此光學(xué)系統(tǒng)帶來的分辨率降低和觀測效率下降基本上可以忽略不計。

3 實驗驗證

為驗證方案的可行性，實際加工了八通道波導(dǎo)陣列芯片，并搭建了光譜測量裝置進行了器件測試。

3.1 芯片加工

本文所用波導(dǎo)采用成熟的SiO2平面光波導(dǎo)工藝，先在4 英寸晶片上生長一層摻鎘氧化硅芯層，然后通過鍍鉻膜完成芯層的保護，緊接著通過光刻與顯影工藝將圖案呈現(xiàn)在鉻膜上，再通過反應(yīng)離子刻蝕實現(xiàn)鉻膜的去除，緊接著再刻蝕一層氧化硅實現(xiàn)二氧化硅芯片的制備，最后通過火焰水解沉積20 μm 厚的SiO2包層，加工流程如圖5（a）。芯片尺寸為7 mm×1.5 mm，其芯層折射率為1.463，包層折射率為1.456 7，單模波導(dǎo)尺寸為6.5 μm，數(shù)值孔徑為0.135。光纖的尾端以127 μm 的間隔排布在右側(cè)而左端的波導(dǎo)陣列僅有30 μm 的間隔，通過對每個通道進行單獨測試，光纖端5 mW 的單頻光信號輸入可至少獲取波導(dǎo)輸出端4.53 mW 的輸出，因此整個器件的光效率高達90%以上。

圖5 芯片的加工與實物呈現(xiàn)Fig.5 Chip fabrication and physical demonstration

基于上述過程加工的多目標輸入芯片實物如圖5（b），圖5（c）展示了芯片的封裝，光纖與波導(dǎo)以機械對準的方式進行了耦合，使得芯片能夠支持光纖輸入。

3.2 實驗研究

為了驗證多通道波導(dǎo)芯片的實際效果，在實驗室搭建了如圖6 所示的光譜測量裝置。

圖6 密排波導(dǎo)8 通道光譜探測實驗裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of experimental setup for 8-channel spectroscopic detection with bundled waveguides

圖6 中，光信號首先通過重排布芯片以7.7°的半角進行發(fā)散，然后依次通過25 mm 焦距的拋面鏡準直、31.6 線的光柵衍射（工作在25 級）以及100 mm 焦距的平凸透鏡聚焦，最終成像在近紅外CCD 上。實驗使用的光源是airlab 公司TLG-220 可調(diào)諧激光器，擁有1 535 nm～1 562 nm 的調(diào)諧范圍，近紅外CCD 使用的是英國Raptor 公司OWL 640 SWIR 型號相機，能夠高效且低噪的探測700 nm～1 700 nm 光學(xué)信號，單個像素尺寸大小為15 μm×15 μm。

本實驗設(shè)計的色散系統(tǒng)在成像方面起到了四倍放大的效果，因此探測器預(yù)期能夠獲得間距為120 μm 的8 通道光譜，實測數(shù)據(jù)以及用于驗證的數(shù)值仿真如圖7。

圖7 實驗與仿真獲得的雙波長8 通道光譜Fig.7 dual-wavelength spectra in 8 channels obtained from experiment and simulation

由圖7（a）與圖7（c）可知，探測器獲取的理想與實際光譜不僅空間分布基本保持一致，所成像的大小也基本相同，足以證明波導(dǎo)密排多目標光譜的可行性。圖7（b）與7（d）則是在數(shù)據(jù)上展示了1 549 nm 單波長輸入條件下，通道排列方向上的能夠獲取的光譜分布，圖中所示相鄰?fù)ǖ赖墓庾V完全分開并且其間隔保持在8 個像素（120 μm）左右，和預(yù)期獲得的120 μm 間隔的8 通道光譜保持一致。但是圖7（b）相較于圖7（d），8 個通道的光強起伏會更大，其原因一方面在于8 個通道之間本身存在5%左右的通光效率浮動，另一方面在于波導(dǎo)輸出端面受到加工質(zhì)量的影響，各個通道出射的光束質(zhì)量不完全一致，如圖7（a）。

4 討論

基于波導(dǎo)重排布的多目標光譜探測解放了光纖的固有包層對多目標光譜空間排布的限制，波導(dǎo)重排布芯片起到了光纖輸入與波導(dǎo)輸出的轉(zhuǎn)接作用，但是其潛在的應(yīng)用價值不僅限與此，其優(yōu)勢還在于二維排布以及更大的設(shè)計自由度。

二維排布的波導(dǎo)可以帶來觀測能力的進一步提升，可以滿足極多目標的觀測需求，也是天文光子學(xué)深化應(yīng)用領(lǐng)域的重要一環(huán)［23］。在天文領(lǐng)域內(nèi)不僅光譜巡天需要多目標光譜探測，積分視場光譜探測同樣需要解決觀測數(shù)量過多的問題。積分視場光譜儀所觀測的物面被分割成一個個點目標，這就使得視場單元的數(shù)量會達到成千上萬個，僅用成千上萬個光纖在一維空間排布會占用極大的空間，在實驗上很難實現(xiàn)。隨著多層波導(dǎo)工藝以及激光直寫工藝的日漸成熟，二維排布的波導(dǎo)在深度方向能夠擁有更大的尺度，這將會帶來同步觀測能力二次方的提升，有望成為未來積分視場觀測空間分辨率過高帶來的觀測目標過多的解決方案。

在設(shè)計自由度方面，本文對式（1）進行了簡化處理，將光纖的芯徑和波導(dǎo)的直徑默認為相同以建立相同的觀測條件。但在實際使用中，波導(dǎo)的直徑、數(shù)值孔徑以及材料擁有更大的自由度，在設(shè)計階段可以通過改變波導(dǎo)構(gòu)型以獲取制式光纖不能夠獲取的參數(shù)組合，這將在部分光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計上提供更大的便利，我們在圖8 中給出相應(yīng)的設(shè)計范例。

圖8 不同構(gòu)型與材料下波導(dǎo)的發(fā)散角Fig.8 Divergence angle of waveguides under different configurations and materials

圖8（a）與8（b）中波導(dǎo)材料一致，僅波導(dǎo)構(gòu)型上存在差別，6.5 μm 直徑二氧化硅波導(dǎo)數(shù)值孔徑為0.135，而12.5 μm 二氧化硅波導(dǎo)數(shù)值孔徑下降至0.085，說明即使都工作在單模條件下，波導(dǎo)構(gòu)型仍然可以提供數(shù)值孔徑設(shè)計的自由度。圖8（a）與8（c）均是單模光進行傳輸，但1.5 μm 氮化硅波導(dǎo)擁有接近0.7 的數(shù)值孔徑，其原因在于波導(dǎo)材料的改變會大大改變需要滿足的單模傳輸?shù)牟▽?dǎo)構(gòu)型。氮化硅相較二氧化硅擁有更高的折射率，會形成芯層與包層的大折射率差，使得單模條件下的氮化硅波導(dǎo)直徑大大減小，從而變相增大了數(shù)值孔徑。

重排布芯片作為光纖和光譜儀輸入之間的轉(zhuǎn)接件不可避免的存在插損，在實際應(yīng)用時需仔細考慮波導(dǎo)材料的選擇、適配程度以及對準耦合的限制。本文實驗所用的摻鍺二氧化硅的波導(dǎo)由于折射率差較小，其耦合模場尺寸較大，可以做到95%以上的效率，并且數(shù)值孔徑變化較小，可以適用于各類應(yīng)用場景。但是當選用氮化硅、硅等高折射率差材料作為波導(dǎo)芯層時，如圖8 所示，其擁有較大的數(shù)值孔徑，但是單模模場直徑會下明顯降，造成耦合模場的失配，從而造成耦合效率會下降至40%左右，因此更適用于小尺寸設(shè)備的應(yīng)用場景。在芯片與光纖陣列對準耦合方面，國內(nèi)現(xiàn)階段已擁有成熟的16 根光纖-波導(dǎo)對準耦合工藝，并且實驗室條件下可以通過精密裝置輔以手工調(diào)試實現(xiàn)幾十上百根光纖的對準，因此在進行大批量應(yīng)用時，波導(dǎo)數(shù)量的選擇同樣需要關(guān)注。

此外，觀測效率的提升會隨著增大的波導(dǎo)尺寸有不同程度的下降。由式（1）可知，光纖間距與波導(dǎo)間距的比值決定了兩種方法的相對觀測能力，但是隨著光纖芯徑的增加，包層對間距的影響會逐步減小，從而變相的降低了觀測能力的提升幅度。對于單模光纖輸入的多目標光譜儀而言，約10 μm 大小的芯徑僅占據(jù)光纖截面尺寸的1/10，這導(dǎo)致探測器能夠獲取信號數(shù)據(jù)的區(qū)域要小于整個探測靶面的1/10，當使用相同芯徑的波導(dǎo)陣列作為輸入時，波導(dǎo)間的間距可以做到30 μm 以下，這意味著波導(dǎo)重排布可以帶來觀測數(shù)量上至少4 倍的提升。但在大芯徑的多模光纖輸入的應(yīng)用場景下，包層的厚度要小于芯層，可以相對的減小包層的影響，如LAMOST 上配備的光纖多目標光譜儀芯層400 μm，光纖間距為528 μm，如果設(shè)計相同芯徑的波導(dǎo)陣列，它帶來的觀測數(shù)量提升只有0.25 倍，因此該方法在單模和少模的條件下會獲得較大的提升，而在大芯徑的多模光纖輸入條件下則提升效果不明顯，現(xiàn)階段更加適用于空間或南極等視寧度條件較好時的多目標光譜探測。

5 結(jié)論

多目標光譜探測作為解決極多目標同步觀測的主流解決方案，但光纖在空間上的緊密排布已經(jīng)做到了極限，因此現(xiàn)在望遠鏡上普遍通過增加光學(xué)系統(tǒng)的通光口徑或增加光譜儀的數(shù)量來滿足觀測需求，不可避免的造成觀測成本以及空間的巨大提升，因此提高探測器靶面的利用效率是解決上述問題的有效方案。本文基于波導(dǎo)重排布的多光譜探測避免了光纖覆蓋層對光纖芯徑間距的限制，采用密排波導(dǎo)陣列作為輸出，其觀測效率獲得了4 倍的提升，有望在未來天文多目標/積分視場光譜觀測中得到應(yīng)用，尤其是空間或視寧度較好臺址下的光譜巡天應(yīng)用。