CN117451178A - 基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法 - Google Patents

基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法，涉及光谱传感技术领域。所述光谱仪包括：输入耦合器、输入波导、功率分配模块和多个波导布拉格光栅滤波模块；所述波导布拉格光栅滤波模块包括依次连接的波导布拉格光栅滤波器、输出波导和输出耦合器；所述输入耦合器的输出端与所述输入波导的输入端连接；所述输入波导的输出端与所述功率分配模块的输入端连接；所述功率分配模块包括多个输出端，且各输出端与一个所述波导布拉格光栅滤波器的输入端连接。本发明通过对波导布拉格光栅阵列进行预校准获得合适的传输矩阵，并在光谱重建算法的帮助下对入射的未知光谱进行重建，得到同时拥有高分辨率和大带宽的片上重建型光谱仪。

Description

基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法
技术领域
本发明涉及光谱传感技术领域，特别是涉及一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法。
背景技术
光学光谱仪是通过光辐射和吸收分析物质组成的基本仪器，在生物化学传感、材料分析、高光谱成像和光源表征等领域有着重要应用。传统的台式光谱仪可以在较宽的带宽上提供高分辨率。然而，它们庞大的体积、高昂的成本和复杂的设备使它们不适合在实验室外使用。在对实时和低成本光谱分析日益增长的需求的推动下，集成光谱仪吸引了极大地的关注。光谱仪的芯片级小型化可以为需要原位表征或高密度集成的应用开辟新的机会，例如食品安全检测、生物化学分析、高光谱成像，智能健康监测等，对改善人们的生活质量有着极大的帮助。
目前已经在二氧化硅、氮化硅(SiN)以及硅光子平台上成功开发了各种片上光谱仪。其中，绝缘体上硅(SOI)平台因其具有的高折射率对比度和互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容性，被认为是制造低成本、高集成度片上光谱仪的理想解决方案。此外，硅的超宽透明窗口(1.1-8μm)涵盖了近红外和中红外光谱中常用的光谱范围。目前已经证明了一些基于SOI平台的高分辨率片上光谱仪，同时具有亚厘米级的面积。
微型片上光谱仪在生物化学分析和气体传感等方面的应用常需要高分辨率以进行精细的光谱识别。同时还需要覆盖适当的工作带宽以实现足够的测量工作范围。目前，片上光谱仪按照其工作原理可分为色散型、窄带滤波型、傅里叶变换型和重建型四种类型。色散型片上光谱仪具有尺寸小、重复性好、集成度高等优点，但其通道间串扰大且对制造缺陷有高灵敏度，最终影响了信噪比。窄带滤波型光谱仪可以通过窄带滤波器选择性地传输特定波长的光，之后通过探测器同时测量滤波后所有光谱分量的输出。然而，窄带滤波型光谱仪的分辨率固有的受到窄带滤波器的限制，限制了其进一步发展。傅里叶变换型光谱仪(FTS)主要原理是基于光的干涉，利用干涉仪来调制入射到单个探测器上的光，并在探测器处收集“干涉图”(信号强度随时间或光程差的函数)，然后通过傅里叶变换转换为波长相关的光谱。然而，最先进的硅光子SHFTS仅显示出1.55μm附近的窄带工作，因此在当前公开的技术中，光谱仪无法做到同时拥有高分辨率和大宽带。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法，能够通过对波导布拉格光栅阵列进行预校准来获得合适的传输矩阵，并在光谱重建算法的帮助下对入射的未知光谱进行重建，得到同时拥有高分辨率和大带宽的片上重建型光谱仪。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，包括：输入耦合器、输入波导、功率分配模块和多个波导布拉格光栅滤波模块；
其中，所述波导布拉格光栅滤波模块包括依次连接的波导布拉格光栅滤波器、输出波导和输出耦合器；
所述输入耦合器的输出端与所述输入波导的输入端连接；所述输入波导的输出端与所述功率分配模块的输入端连接；所述功率分配模块包括多个输出端，且各所述输出端与一个所述波导布拉格光栅滤波器的输入端连接。
可选地，所述输入耦合器采用端面耦合器结构或光栅耦合器结构。
可选地，所述功率分配模块采用定向耦合器阵列或级联Y分支结构；所述定向耦合器阵列是由多个定向耦合器根据对应的功率耦合系数组成的。
可选地，所述定向耦合器，具体包括：传输总线波导、条形耦合波导和耦合输出波导；
所述条形耦合波导相对所述传输总线波导设置；所述耦合输出波导的输入端与所述条形耦合波导的输出端连接；所述耦合输出波导的输出端为所述定向耦合器的输出端。
可选地，所述波导布拉格光栅滤波器由级联的两个或多个波导布拉格光栅组成；所述波导布拉格光栅采用均匀布拉格光栅或相移布拉格光栅。
可选地，所述相移布拉格光栅由两个普通波导布拉格光栅及两所述普通波导布拉格光栅中间的相移波导区域组成。
可选地，所述波导布拉格光栅滤波器的基础传输波导采用基于SOI平台的满足单模传输条件的条型Si波导。
本发明还提供了一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪光谱分析方法，包括：
将波导布拉格光栅滤波器的输出端连接功率计或光电探测器，利用可调谐激光器向各所述波导布拉格光栅滤波器输入不同波长的激光信号，获得多个波导布拉格光栅滤波器的透射光谱，并构建光谱仪的传输矩阵；
将未知入射光引入所述光谱仪的输入耦合器中，经所述功率计或所述光电探测器，测得多个检测功率；
利用光谱重建算法、所述传输矩阵和各所述检测功率，对未知入射光进行计算重构，从而得到所述未知入射光的光谱信息。
可选地，所述检测功率的计算公式为：
D＝∫T(λ)S(λ)dλ
其中，T(λ)为所述的波导布拉格光栅滤波器的透射光谱，S(λ)为未知入射光的光谱信息，λ表示为光波长，D为通过光电探测器或功率计探测到的检测功率；将未知入射光的光谱信息S(λ)、所述的波导布拉格光栅滤波器的透射光谱T(λ)和检测功率D进行离散化处理并转为矩阵表示，得到：
DN×1＝TN×MSM×1
其中，m＝1，2...M，表示波长的采样点数，n＝1，2，...N，表示波导布拉格光栅滤波器的数量。
可选地，利用光谱重建算法以及所获得的传输矩阵和多个检测功率，对未知入射光进行计算重构，从而获得所述未知入射光的光谱信息的步骤，包括：
使用线性回归算法，通过最小化所述检测功率计算公式的l2范数，从而重建未知入射光谱：
minimize||D-TS||2+r||B×S||2subject to 0≤S≤1，D＝TS
其中，D为通过光电探测器或功率计探测到的检测功率；r是正则化参数，T为传输矩阵，S为重建的入射光谱，D为检测功率，||B×S||为平滑函数，B∈R(n-1)×(n)是双对角矩阵：
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法，所述光谱仪包括输入耦合器、输入波导、功率分配模块和多个波导布拉格光栅滤波模块；所述波导布拉格光栅滤波模块包括依次连接的波导布拉格光栅滤波器、输出波导和输出耦合器；所述输入耦合器的输出端与所述输入波导的输入端连接；所述输入波导的输出端与所述功率分配模块的输入端连接；所述功率分配模块包括多个输出端，且各所述输出端与一个所述波导布拉格光栅滤波器的输入端连接。本发明能够通过对波导布拉格光栅阵列进行预校准获得合适的传输矩阵，并在光谱重建算法的帮助下对入射的未知光谱进行重建，得到同时拥有高分辨率和大带宽的片上重建型光谱仪。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪的结构示意图；
图2为本实施例中定向耦合器的结构示意图；
图3为本实施例中波导布拉格光栅滤波器的结构示意图；
图4为本实施例中光谱仪的第5、12、19波通道的模拟传输谱线示意图；
图5为本实施例中光谱仪的传输矩阵T示意图；
图6为本实施例中光谱仪重建某个窄带入射光的仿真结果示意图；
图7为本实施例中光谱仪重建某个入射宽谱光的仿真结果示意图。
附图标记：1、输入耦合器；2、输入波导；3、功率分配模块；4、波导布拉格光栅滤波器；5、输出波导；6、输出耦合器；301、传输总线波导；302、条形耦合波导；303、耦合输出波导；401、普通波导布拉格光栅；402、相移波导区域。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪及光谱分析方法，能够通过对波导布拉格光栅阵列进行预校准来获得合适的传输矩阵，并在光谱重建算法的帮助下对入射的未知光谱进行重建，得到同时拥有高分辨率和大带宽的片上重建型光谱仪。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-图7所示，本发明提供了一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，包括：输入耦合器1、输入波导2、功率分配模块3和多个波导布拉格光栅滤波模块；
其中，所述波导布拉格光栅滤波模块包括依次连接的波导布拉格光栅滤波器4、输出波导5和输出耦合器6；所述输入耦合器1的输出端与所述输入波导2的输入端连接；所述输入波导2的输出端与所述功率分配模块3的输入端连接；所述功率分配模块3包括多个输出端，且各所述输出端与一个所述波导布拉格光栅滤波器4的输入端连接。
作为一种具体的实施方式，所述输入耦合器1采用端面耦合器结构或光栅耦合器结构。所述功率分配模块3采用定向耦合器阵列或级联Y分支结构；所述定向耦合器阵列是由多个定向耦合器根据对应的功率耦合系数组成的。
作为一种具体的实施方式，所述定向耦合器，具体包括：传输总线波导301、条形耦合波导302和耦合输出波导303；所述条形耦合波导302相对所述传输总线波导301设置；所述耦合输出波导303的输入端与所述条形耦合波导302的输出端连接；所述耦合输出波导303的输出端为所述定向耦合器的输出端。
作为一种具体的实施方式，所述波导布拉格光栅滤波器4由级联的两个或多个波导布拉格光栅组成。所述波导布拉格光栅采用均匀布拉格光栅或相移布拉格光栅。所述相移布拉格光栅由两个普通波导布拉格光栅401及两所述普通波导布拉格光栅401中间的相移波导区域402组成。
在本实施例中，所述波导布拉格光栅滤波器4的基础传输波导采用基于SOI平台的满足单模传输条件的条型Si波导。
基于上述光谱仪结构，提供如下所示实施例。
本实施例中的基于波导布拉格光栅的重建型光谱仪，包含输入耦合器1、输入波导2、功率分配模块3、N个基于波导布拉格光栅的滤波器、N个输出波导以及N个输出耦合器6。
作为本发明所述的片上重建型光谱仪，所述的输入耦合器1的输出端与所述的输入波导2的输入端相连，该输入波导2的输出端与功率分配模块3的输入端相连，所述的功率分配模块3的N个输出端与所述的N个基于波导布拉格光栅的滤波器的输入端相连，所述的N个基于波导布拉格光栅的滤波器的输出端与所述的N个输出波导的输入端相连，所述的N个输出波导输出端的与所述的N个输出耦合器6的输入端相连。
作为进一步优化方案，所述的输入耦合器1采用端面耦合器结构或光栅耦合器结构，待测光谱信号通过光纤耦合输入芯片中。所述的输入波导2，其主要作用是将输入耦合器1输出的光传输到功率分配模块3中。
作为进一步优化方案，所述的功率分配模块3可以采用定向耦合器阵列或级联Y分支结构。级联Y分支是将入射信号的功率均分到N个通道的最直接的方法，然而，这可能会导致较大的占地面积。当设定的输出通道数量为N时，Y分支的级数y可以通过公式y＝log2(N)得到，用到的Y分支的数量为N-1个。
定向耦合器阵列是在减小占地面积的同时实现入射光功率均分的有效方法。定向耦合器的结构可以由传输总线波导301、条型耦合波导和输出波导组成，但不限于该结构。其中输出波导结构可以为弯曲波导，但不限于该结构。所述传输总线波导301中传输的光耦合进入条形耦合波导302，条形耦合波导302的输出端与所述输出波导的输入端连接，所述输出波导的输出端作为定向耦合器的输出端。通过以下公式，对每个定向耦合器进行单独设计，可以确保每个通道的传输的光功率尽量均匀：
其中，κN为第N个定向耦合器的功率耦合系数，κ0为每个定向耦合器输出端口的目标传输系数，即端口输出的光功率占总光功率的比例，为了实现功率均分，该系数应为1/N。
作为进一步优化方案，所述的波导布拉格光栅滤波器4由级联的两个或多个波导布拉格光栅组成，所述的波导布拉格光栅可以是均匀布拉格光栅、相移布拉格光栅或其他波导布拉格光栅结构。图3给出了所述的波导布拉格光栅滤波器4的一种可能配置，即由两个级联的相移布拉格光栅1a、1b构成，但不限于该种配置。所述的相移布拉格光栅1a的输出端与所述的相移布拉格光栅1b的输入端连接，所述的相移布拉格光栅1a的输入端作为所述的波导布拉格光栅滤波器4的输入端，所述的相移布拉格光栅1b的输出端作为所述波导布拉格光栅滤波器4的输出端。所述的相移布拉格光栅1a、1b由两个普通波导布拉格光栅401和中间的相移波导区域402组成。所述的波导布拉格光栅滤波器4的基础传输波导是基于SOI平台的满足单模传输条件的条型Si波导。
所述的波导布拉格光栅滤波器4可以通过改变其结构参数获得不同的透射谱线，从而构成重建算法所需的传输矩阵。可以改变的结构参数可以是占空比、光栅周期、光栅周期数和相移区域长度，但不限于这些结构参数。获得的具有不同传输谱线的波导布拉格光栅滤波器4需要通过算法进行筛选以获得传输谱线具有低相关度的滤波器组合。
所述的波导布拉格光栅滤波器4可以通过改变其结构参数改变其工作波长范围，所述的基于波导布拉格光栅的重建型光谱仪工作波长范围为近红外(～1550nm)波段，但通过改变波导布拉格光栅滤波器4的结构参数，所述的重建型光谱仪的工作范围可扩展到SOI平台工作波长范围的任意波段，实现超大带宽范围的光谱测试，满足特殊定制化的要求。
作为进一步优化方案，所述的输出波导，其主要作用是将波导布拉格光栅滤波器4的输出端输出的光传输到输出耦合器6中。所述的输出耦合器6采用端面耦合器结构或光栅耦合器结构，输出信号通过光纤接入外部的探测器或功率计，从而获得每个输出端口的光功率。
在本实施例的片上重建型光谱仪中，所述的波导布拉格光栅滤波器4的透射率可写为T(λ)，通过光电探测器或功率计探测到未知光谱S(λ)的检测功率可写为D(λ)。数学上可以得到：
D＝∫T(λ)S(λ)dλ (2)
可以通过预校准过程精确测量波导布拉格光栅滤波器4的透射光谱T(λ)。理想情况下，我们处理的是连续变量，然而，在重建过程中，我们将重建输入信号功率谱的离散值。因此，我们用一维信号来表示D(λ)和T(λ)的离散值，例如，值为D(λm)和T(λm)的向量，m＝1，2...M。这些向量的长度由数字m描述，决定了重建输入信号的光谱分辨率。对于第n个滤波器，式(2)可以重写为：
显然，使用N个不同的滤波器，我们将生成N个对应的Dn值，n＝1，2，...N。这个公式提供了N个线性代数方程，可以求解以确定输入信号的M个未知值S(λm)。在线性代数公式中，N个滤波器的响应为：
DN×1＝TN×MSM×1 (4)
合适的设计下，所需的用于重建输入信号的滤波器的数量可以远小于目标带宽与所需的光谱分辨率的比值，即N＜＜M。因此，它在多个方面优于所述的其他三种光谱仪，包括工作波长范围、信噪比SNR、占地面积，硬件成本，以及系统操作的复杂性。
对于N＜＜M的情况，式(4)是一个常见的欠定线性代数问题，可使用线性回归算法，通过将式(4)的l2范数最小化来解决：
minimize||D-TS||2subject to 0≤S≤1，D＝TS (5)
对于测量噪声较强的情况，可以在回归中加入S的具有权重系数r的l2范数正则化，并引入平滑函数||B×S||来优化欠定矩阵方程的解，以实现平滑谱重构：
minimize||D-TS||2+r||B×S||2subject to 0≤S≤1，D＝TS (6)
其中B∈R(n-1)×(n)是双对角矩阵：
光谱仪的光谱测试过程为先通过可调谐激光器输入不同波长的激光信号并测量得到探测器或功率计接收到的光功率，进而得到光谱仪的传输矩阵T。之后将未知光谱信号输入光谱仪并通过探测器或功率计测量得到各输出通道的输出光功率，之后通过光谱重建算法对入射光谱进行重建，从而得到入射光的光谱信息。
同现有技术相比，本发明具有的有益效果体现在如下方面：
本发明设计了基于波导布拉格光栅的滤波器阵列，能实现超大带宽范围的光谱检测。通过调节布拉格光栅的各项参数，光谱仪的工作波段范围可以轻易改变，当测试波段范围较大时，可以选择性组合多个光谱仪，拓展系统的工作带宽，灵活性高。基于波导布拉格光栅的重建型光谱仪采用SOI材料平台，具有的高折射率对比度和CMOS兼容性，制造成本低，工艺成熟。此外，硅的超宽透明窗口(1.1-8μm)涵盖了近红外和中红外光谱中常用的光谱范围。基于波导布拉格光栅的重建型光谱仪仅有一个输入端口，在预校准过程后，只需一次对未知光谱的测量便能成功重建入射光谱，不需要多次测量。基于波导布拉格光栅的重建型光谱仪不含有任何有源器件，不需要任何加热或加电操作，系统的可靠性高，功耗低。
总述，本发明设计的基于波导布拉格光栅的重建型光谱仪具有分辨率高、超大带宽、功耗低、传输损耗小、系统完整、易于使用等优点。也即：
(1)本发明是制造在SOI平台上基于波导布拉格光栅的重建型光谱仪，在光谱重建理论的基础上设计并优化了波导布拉格光栅滤波器4阵列结构，使得各通道的传输谱线都具有随机且锐利的特性，同时各个通道之间的互相关度均保持在一个较低的水平，便于最大化实现波长信道之间的去相关以获得更好的重建效果以及更高的分辨率。
(2)本发明的波导布拉格光栅滤波器4采用了功率分配模块3以实现每个滤波通道中的功率均匀分配。其中功率分配功能的实现可以通过级联Y分支结构或定向耦合阵列，通过对耦合模块的特殊设计，可以实现入射光功率到各个通道的功率均分，从而获得更好的光谱重建效果。
(3)本发明通过在光谱重建算法中引入l2范数正则化以及平滑函数来优化欠定矩阵方程的解，以实现平滑谱重构，可以实现近红外(～1550nm)波段约130nm的带宽范围内的光谱重建。
因此，本实施例的光谱仪通过六部分组成，分别为输入耦合器1、输入波导2、功率分配模块3、波导布拉格光栅的滤波器、输出波导和输出耦合器6。用所设计的输入耦合器1和输入波导2引入光的TE0模式，然后通过功率分配模块3将入射光功率均分到每个波导布拉格光栅的滤波器中，经过滤波器的光通过输出波导和输出耦合器6传输到片外的探测器或功率计中。经过预校准过程后，只需一次测量便可得到入射光的全部光谱信息。该光谱仪在近红外(～1550nm)波段约130nm的带宽范围内能够实现入射光谱的精确重建。本发明尺寸小、制造工艺成熟，具有分辨率高、带宽大、功耗低、传输损耗小、易于使用等优点。
本发明还提供了一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪光谱分析方法，包括：
步骤100：将波导布拉格光栅滤波器的输出端连接功率计或光电探测器，利用可调谐激光器向各所述波导布拉格光栅滤波器输入不同波长的激光信号，获得多个波导布拉格光栅滤波器的透射光谱，并构建光谱仪的传输矩阵；
步骤200：将未知入射光引入所述光谱仪的输入耦合器中，经所述功率计或所述光电探测器，测得多个检测功率；
步骤300：利用光谱重建算法、所述传输矩阵和各所述检测功率，对未知入射光进行计算重构，从而得到所述未知入射光的光谱信息。
所述检测功率的计算公式为：
D＝∫T(λ)S(λ)dλ
其中，T(λ)为所述的波导布拉格光栅滤波器的透射光谱，S(λ)为未知入射光的光谱信息，λ表示为光波长，D为通过光电探测器或功率计探测到的检测功率；将未知入射光的光谱信息S(λ)、所述的波导布拉格光栅滤波器的透射光谱T(λ)和检测功率D进行离散化处理并转为矩阵表示，得到：
DN×1＝TN×MSM×1
其中，m＝1，2...M表示波长的采样点数，n＝1，2，...N，表示波导布拉格光栅滤波器的数量。
步骤300的具体过程，包括：
使用线性回归算法，通过最小化所述检测功率计算公式的l2范数，从而重建未知入射光谱：
minimize||D-TS||2+r||B×S||2 subject to 0≤S≤1，D＝TS
其中，D为通过光电探测器或功率计探测到的检测功率；r是正则化参数，T为传输矩阵，S为重建的入射光谱，D为检测功率，||B×S||为平滑函数，B∈R(n-1)×(n)是双对角矩阵：
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，包括：输入耦合器、输入波导、功率分配模块和多个波导布拉格光栅滤波模块；
其中，所述波导布拉格光栅滤波模块包括依次连接的波导布拉格光栅滤波器、输出波导和输出耦合器；
所述输入耦合器的输出端与所述输入波导的输入端连接；所述输入波导的输出端与所述功率分配模块的输入端连接；所述功率分配模块包括多个输出端，且各所述输出端与一个所述波导布拉格光栅滤波器的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述输入耦合器采用端面耦合器结构或光栅耦合器结构。
3.根据权利要求1所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述功率分配模块采用定向耦合器阵列或级联Y分支结构；所述定向耦合器阵列是由多个定向耦合器根据对应的功率耦合系数组成的。
4.根据权利要求3所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述定向耦合器，具体包括：传输总线波导、条形耦合波导和耦合输出波导；
所述条形耦合波导相对所述传输总线波导设置；所述耦合输出波导的输入端与所述条形耦合波导的输出端连接；所述耦合输出波导的输出端为所述定向耦合器的输出端。
5.根据权利要求1所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述波导布拉格光栅滤波器由级联的两个或多个波导布拉格光栅组成；所述波导布拉格光栅采用均匀布拉格光栅或相移布拉格光栅。
6.根据权利要求5所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述相移布拉格光栅由两个普通波导布拉格光栅及两所述普通波导布拉格光栅中间的相移波导区域组成。
7.根据权利要求1所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪，其特征在于，所述波导布拉格光栅滤波器的基础传输波导采用基于SOI平台的满足单模传输条件的条型Si波导。
8.一种基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪光谱分析方法，其特征在于，包括：
将波导布拉格光栅滤波器的输出端连接功率计或光电探测器，利用可调谐激光器向各所述波导布拉格光栅滤波器输入不同波长的激光信号，获得多个波导布拉格光栅滤波器的透射光谱，并构建光谱仪的传输矩阵；
将未知入射光引入所述光谱仪的输入耦合器中，经所述功率计或所述光电探测器，测得多个检测功率；
利用光谱重建算法、所述传输矩阵和各所述检测功率，对未知入射光进行计算重构，从而得到所述未知入射光的光谱信息。
9.根据权利要求8所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪的光谱分析方法，其特征在于，所述检测功率的计算公式为：
D＝∫T(λ)S(λ)dλ
其中，T(λ)为所述的波导布拉格光栅滤波器的透射光谱，S(λ)为未知入射光的光谱信息，λ表示为光波长，D为通过光电探测器或功率计探测到的检测功率；将未知入射光的光谱信息S(λ)、所述的波导布拉格光栅滤波器的透射光谱T(λ)和检测功率D进行离散化处理并转为矩阵表示，得到：
DN×1＝TN×MSM×1
其中，m＝1,2…M，表示波长的采样点数，n＝1,2，…N，表示波导布拉格光栅滤波器的数量。
10.根据权利要求8所述的基于波导布拉格光栅的片上重建型光谱仪的光谱分析方法，其特征在于，利用光谱重建算法以及所获得的传输矩阵和多个检测功率，对未知入射光进行计算重构，从而获得所述未知入射光的光谱信息的步骤，包括：
使用线性回归算法，通过最小化所述检测功率计算公式的l2范数，从而重建未知入射光谱：
minimize||D-TS||2+r||B×S||2subject to 0≤S≤1，D＝TS
其中，D为通过光电探测器或功率计探测到的检测功率；r是正则化参数，T为传输矩阵，S为重建的入射光谱，D为检测功率，∥B×S∥为平滑函数，B∈R(n-1)×(n)是双对角矩阵：
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