逆向設計方法提高了片上光譜儀的性能和可靠性

在一項研究中發表在工程南京航空航天大學和浙江大學的研究人員推出了一種設計片上運算光譜儀的開創性方法，預示著高性能、可靠的整合光譜儀的新時代。這種創新的逆向設計方法使光譜儀技術實現了巨大的飛躍，解決了性能和再現性方面長期存在的挑戰。

計算光譜儀作為整合光譜測定的一種有前途的解決方案而受到關注，這種技術對於從環境監測到醫療診斷等應用至關重要。這些設備通常依靠無序結構來增強性能和彈性。然而，設計此類光譜儀的流行方法（使用強力隨機方法）已被證明效率低下，導致結果不一致且次優。

由李安和吳一凡領導的研究團隊透過引入一種利用仿生演算法的新穎逆向設計方法來正面解決這些問題。傳統上，逆向設計透過簡單的性能標準來優化單光子裝置。這項研究標誌著一個重大突破，它將逆向設計應用於由多個相關組件組成的複雜系統，從而解決了複雜的光譜響應問題。

新的設計方法採用了粒子群最佳化（PSO），這是一種受鳥類聚集等自然過程啟發的演算法。這種受生物啟發的技術專為計算光譜儀量身定制，用於優化一種新型的無序光子結構。與先前依賴散射或吸收效應的方法不同，此方法使用乾涉效應，可顯著減少損耗並提高靈敏度。

結果令人印象深刻。與傳統方法相比，新設計的光譜儀的光譜解析度顯著提高了 12 倍。

此外，濾波器之間的互相關性降低了四倍，從而實現更準確、更可靠的頻譜分析。該光譜儀的性能已透過其作為光纖布拉格光柵（FBG）感測器的光譜分析儀的應用得到了驗證，進一步展示了其實用性。

這種逆向設計方法的引入代表了整合光譜儀領域的重大進步。透過克服隨機設計方法的局限性，新方法為大規模生產提供了可擴展、經濟高效的解決方案。的整合矽光子平台強調了其廣泛採用的潛力，為跨行業的高性能光譜測量提供了途徑。

這項發展不僅增強了整合光譜儀的實用性，而且為光學技術的新應用和改進打開了大門。該團隊將 PSO 成功應用於複雜系統，可能會激發光子學領域的進一步研究和創新，並有可能在電信和感測技術等其他領域帶來突破。

研究小組的工作為計算光譜學的未來發展奠定了堅實的基礎。透過新的逆向設計方法，該領域有望看到性能和可靠性方面的進步。隨著技術的發展，它有望改變光譜分析的方式並將這些工具整合到不同的技術應用中。

工程部提供