本文介绍并讨论了南京天文光学技术研究所和中国科学院大学的研究团队在《Photonics Research》期刊上发表的一项前沿研究。该研究于2026年2月被接受并在线发布，DOI为https://doi.org/10.1364/prj.582324。这项研究由Yunxian Zhong, Zhuangzhuang Zhu, Xue Tong, Guodong Tong, Junping Zhang, Xiaoming Zhu, Zixuan Hang, Jinping He（通讯作者）等作者共同完成。研究团队提出并验证了一种“高分辨率宽带集成光谱仪”，为天文观测提供了一种革命性的紧凑型解决方案。
本研究属于天文仪器技术与集成光子学的交叉领域。光谱仪是天文学研究的基石，用于分析系外行星大气、恒星与星系成分以及宇宙结构演化。然而，传统天文光谱仪（如VLT望远镜上的ESPRESSO光谱仪）体积巨大（可达数十立方米）、成本高昂且难以扩展。随着下一代巨型望远镜（如39米口径的ELT）和大型光谱巡天项目（如计划容纳数万根光纤的ESST、WST和MSE）的提出，对光谱仪的可扩展性、成本效益和性能提出了前所未有的挑战。传统仪器在尺寸、成本和复杂光机对准方面的局限，已成为制约这些宏伟科学目标实现的主要瓶颈。
在此背景下，集成光子学光谱仪以其紧凑的 footprint（占地面积）、低质量、高稳定性和固有的可复制性，被视为一种极具前景的解决方案。尽管已有多种集成光谱仪方案（如基于计算重构的纳米线/超构表面光谱仪，以及基于阵列波导光栅AWG的直接色散光谱仪），但它们普遍面临分辨率与带宽之间的根本性权衡。大多数集成光谱仪无法在保持紧凑架构的同时，兼顾高光谱分辨率、宽带宽和高精度，这严重限制了它们在天文观测中的应用。因此，本研究旨在突破这一核心限制，开发一种能够同时实现高分辨率、宽带宽和高波长精度的集成光谱仪。
本研究的工作流程系统而严谨，主要包括器件设计与制造、系统集成、性能表征和实际天文观测验证四个主要阶段。
第一阶段：器件设计与系统架构构建 研究团队设计了一种混合色散光谱仪架构，以同时实现高分辨率与宽带宽。该架构的核心是一个高分辨率的集成光子芯片，配合一个迷你化的自由空间交叉色散成像模块。 1. 核心芯片设计与制造：核心色散元件是一个基于级联相位调制架构的氮化硅（Si₃N₄）波导阵列芯片。设计采用U形折叠延迟线结构，在有限尺寸内累积了相邻波导间足够大的光程差，从而实现了超过25,000的理论分辨率。芯片输出端采用绝热锥形结构压缩波导间距，以优化与后续光学系统的耦合。该芯片采用商用低损耗氮化硅平台（Ligentec AN150）制造，尺寸仅为9.6 mm × 3.2 mm，确保了高均匀性和低相位误差。 2. 混合系统集成：将制造好的芯片集成到一个紧凑的自由空间光路中。系统工作流程如下：太阳光（或测试光源）首先被耦合进单模光纤，通过端面耦合注入芯片。芯片输出光由两个柱面透镜（f=25 mm）准直，然后由一个体相位全息光栅（VPH Grating，600 lines/mm）进行交叉色散（方向与芯片色散方向正交），最后由一个成像透镜（f=25 mm）聚焦到InGaAs相机上。由此形成一个二维光谱图像：横轴对应芯片产生的高分辨率色散，纵轴对应VPH光栅产生的交叉色散，用于分离不同衍射级次，从而扩展有效带宽。
第二阶段：光谱仪性能表征 在系统集成完成后，研究团队进行了一系列严格的实验来表征光谱仪的性能。 1. 波长与通量校准： * 波长校准：使用可调谐单频激光器（1525 nm至1565 nm，步进0.5 nm）扫描输入。记录每个波长对应的干涉图样，通过高斯拟合确定光斑位置，建立像素到波长的映射关系。所有拟合的决定系数（R²）高于0.99998，确保了高精度的波长定标。 * 通量校准：使用放大自发辐射宽带光源作为输入，获取系统响应。通过对比测得的ASE光谱与其标准参考光谱，得到系统的归一化通量响应曲线。 * 系统效率测量：测量了整个系统的端到端光学效率约为5%。并分析了各部分的损耗：光纤到芯片的耦合效率约15%，芯片本征传输约80%，自由空间交叉色散成像模块效率约42%。文章指出，通过优化模式匹配、使用定制化面耦合器、抗反射镀膜等手段，未来系统总效率有望提升至约45%。
分辨率与带宽评估：
光谱保真度验证——乙炔吸收实验： 为了验证光谱仪的准确性和光谱保真度，研究团队测量了乙炔气体吸收池的吸收光谱。将测得的透射光谱与HITRAN数据库中的标准参考光谱进行对比。结果显示，测量光谱与参考光谱高度吻合，特别是在1526-1536 nm的P支吸收带。即使是位于强吸收峰之间的弱吸收线也能被清晰分辨和准确定位。通过计算归一化互相关系数，在P支波段相关性超过0.985，充分证明了仪器的高分辨能力和波长校准的可靠性。
第三阶段：实际天文观测验证——太阳光谱测量 这是本研究最具创新性和说服力的环节，旨在真实观测条件下验证仪器性能。 1. 观测设置：使用户外双轴太阳跟踪定日镜系统将太阳光引入实验室，通过显微物镜聚焦后耦合进单模光纤，再注入光谱仪系统。整个光学组件体积小于500 cm³，比传统米级太阳光谱仪小了三个数量级。 2. 光谱获取与重建：成功获得了太阳光的二维干涉图。通过识别对应于1550 nm的衍射级次，确定了自由光谱范围。从二维图像中提取并拼接了所有约65个衍射级次的光谱，重建出覆盖超过180 nm带宽的一维高分辨率太阳光谱。 3. 绝对波长定标与特征线识别：利用HITRAN数据库中精确已知的水汽吸收线进行绝对波长定标。在重建的太阳光谱中，清晰分辨并识别出多条吸收线，其中最突出的成果是首次利用集成光子光谱仪观测到了近红外太阳夫琅禾费线，特别是位于1564.85 nm和1565.29 nm的两条铁（Fe I）吸收线。这些谱线是太阳物理学中用于矢量磁场测量和塞曼分裂研究的重要特征线，其被成功分辨证明了该光谱仪具备进行高精度天文光谱学研究的实力。
本研究在各个阶段均取得了关键性结果： 1. 器件与系统层面：成功设计并制造了基于级联相位调制的氮化硅波导阵列芯片，并以此为核心构建了体积小于500 cm³的混合色散集成光谱仪系统。 2. 性能参数层面：实验验证该系统在1550 nm波段实现了分辨率（R>25，000）和带宽（>180 nm）的同时突破，打破了集成光谱仪中分辨率与带宽的权衡限制。系统光学效率当前为5%，但具有明确的提升路径。 3. 实验室验证层面：通过乙炔气体吸收实验，定量证明了光谱仪具有优异的光谱保真度和波长精度（与标准数据库相关性>0.985）。 4. 天文观测验证层面：首次使用集成光子光谱仪成功观测到了近红外太阳夫琅禾费吸收线，特别是清晰分辨了1564.85 nm和1565.29 nm的Fe I线。这直接证明了该紧凑型仪器能够满足真实天文观测对光谱分辨率和精度的苛刻要求。
这些结果环环相扣：高性能芯片和混合架构的设计是实现高分辨率宽带的前提；严格的实验室表征结果（高分辨率、宽带宽、高保真度）为进行实际天文观测奠定了信心；而最终的太阳光谱观测结果，则是所有前期工作的终极验证，强有力地支撑了研究的核心结论。
本研究成功展示了一种紧凑、高性能的混合色散集成光子光谱仪。其核心结论是：通过将级联相位调制芯片与正交自由空间色散模块相结合，能够在一个体积远小于传统仪器的系统中，同时实现高光谱分辨率（R>25，000）、宽带宽（>180 nm）和高波长精度，并成功应用于实际太阳光谱观测。这项工作的科学价值和应用价值主要体现在： 1. 仪器学突破：为解决下一代大型巡天望远镜所面临的光谱仪数量、成本和体积挑战提供了一种可行的、可扩展的集成化解决方案。 2. 技术路径验证：证明了混合色散架构在打破集成光谱仪“分辨率-带宽”权衡方面的有效性，为未来更高性能的集成光谱仪设计指明了方向。 3. 天文应用示范：首次将集成光子光谱仪的分辨能力提升到足以分辨关键天体谱线（如太阳Fe I线）的水平，标志着集成光子学仪器从原理验证迈向实际天文应用的关键一步。 4. 可扩展前景：该架构天然支持模块化并行。多个芯片可以并行排列，共享一个交叉色散模块，从而实现多目标光谱观测，而不会显著增加系统体积，这非常符合Lamost、ESST等大规模光谱巡天项目的需求。
本研究的亮点突出： 1. 性能突破：首次在集成光子光谱仪上同时实现了超过25，000的分辨本领和超过180 nm的带宽，性能参数达到实用天文观测要求。 2. 架构创新：提出了“芯片高分辨率色散 + 自由空间正交交叉色散”的混合架构，巧妙地将分辨率与带宽解耦。 3. 验证充分：不仅完成了标准的波长、通量、分辨率实验室表征和乙炔吸收验证，更关键的是首次利用集成光子光谱仪进行了真实的天文目标（太阳）观测，并成功分辨出具有天体物理诊断价值的夫琅禾费吸收线，这是最具说服力的成果。 4. 应用导向明确：整个研究紧紧围绕天文观测的实际需求展开，系统设计考虑了可扩展性、并行化潜力，并深入讨论了效率提升路径（如耦合优化）和未来发展方向（如与光子灯笼结合处理多模信号、使用近方形波导支持双偏振等），展现了清晰的工程化与实用化思路。
文章还深入探讨了该技术的未来发展方向和当前局限： 1. 未来改进：包括使用光学频率梳进行更精确的波长校准；优化光学中继设计（如使用柱面双合透镜）以减少像差，提升边缘分辨率；通过优化成像系统和使用更大探测器进一步扩展带宽。 2. 当前局限与解决方案： * 多模耦合：当前系统基于单模光纤输入，不直接适用于望远镜的多模光束。文章讨论了结合极端自适应光学或将光子灯笼与多芯片阵列结合的潜在方案。 * 偏振依赖：当前Si₃N₄波导针对TE模式优化，对非偏振的星光会造成50%损失。未来可采用近方形或圆形波导来同时支持两个偏振模式。 * 并行化部署：阐述了如何通过空间排布芯片和光学设计，将多个芯片的光谱紧凑地排列在单个探测器上，实现多目标光谱同时观测。 3. 广阔前景：文章指出，该技术有望催生新一代超紧凑积分场光谱仪，通过将大量此类光谱仪部署成阵列，可以同时获取宽视场内每个空间像素的高分辨率光谱，这是当前体积庞大得多的仪器才具备的能力。
这项研究不仅仅是展示了一个高性能的实验室器件，更是为未来天文光谱观测的范式转变提供了一条切实可行的技术路径，标志着集成光子学在天文仪器领域迈入了高分辨率、宽带、实用化的新阶段。