基于计算重构算法的高性能微型光谱仪

导读：

据麦姆斯咨询报道，近日，芬兰阿尔托大学（Aalto University）孙志培院士团队和上海交通大学蔡伟伟教授团队、浙江大学杨宗银教授团队、四川大学崔汉骁教授团队，以及英国剑桥大学的Tawfique Hasan教授团队等合作开发了一种基于可调范德华异质结的高性能超微型光谱仪，其尺寸仅为数微米。通过学习该异质结在不同栅极电压下的光电流响应特性，并结合先进的重构算法，研究人员在可见光和近红外波段突破性地实现了~0.36纳米的窄带光谱准确度，以及~3纳米的宽带光谱分辨率。该新型光谱仪不仅无需传统光谱仪中的光栅、光电探测器阵列等复杂器件和结构，还具有极高的准确度和分辨率。该工作不仅为高性能光谱仪的微型化提供了全新的思路，也为大规模片上光子系统集成、芯片实验室等先进技术实现了重要基础性突破。

研究背景：

在工业检测、化学和生物分析，以及地质勘探等领域，光谱仪已经成为不可缺少的仪器。近年来，快速发展的各种便携式设备和片上集成系统对微型化、高性能（包括高分辨率及宽带响应等）光谱仪的需求日益迫切。传统台式光谱仪利用光栅或色散元件将入射光的不同波长成分在空间中展开，并利用光电探测器阵列进行探测，来获得光谱信息。然而这些复杂的光路设计和光学元件使得光谱仪的微型化困难重重，所以传统策略是牺牲部分性能，利用先进微纳米加工技术将传统分光或色散元件替换成更小型色散光学元件，例如光子晶体、超构表面、微型干涉仪等。这些技术可将光谱仪尺寸缩小至毫米量级，但进一步小型化则是一个极大的挑战。近期，计算重构光谱技术被成功应用于光谱仪的微型化，通过预校准，并根据测量数据特征，可实现基于计算重构算法的未知光谱重构。目前这类光谱仪的性能还十分受限，分辨率和工作带宽通常受到探测器数量及工作温度等条件影响。在本项工作中，研究人员利用二维材料优异的光电响应特性，以及其构成范德华异质结时丰富的可选性，提出一种全新的基于计算重构算法的高性能微型光谱仪。

研究创新点：

1. 首次提出并实现了范德华异质结光谱仪。突破传统光谱仪的尺寸极限，在微米量级的单个异质结中实现光谱探测。在该异质结中，通过调节栅极电压，波长依赖的响应度呈现明显变化，该特征被用于计算重构未知入射光谱。

2. 首次在微米尺度下实现了~0.36纳米的窄带光谱准确度，以及~3纳米的复杂宽带光谱分辨率，并利用该光谱仪实现了宏观光谱成像。

主要内容：

在计算重构技术中，重构光谱的准确度和分辨率取决于器件光谱响应对栅极电压变化的灵敏度。由于单一材料的能带结构固定，其光谱响应变化有限，且可调节范围受材料带宽限制，这成为此类光谱仪性能受限的主要原因。相比之下，由二维材料构成的范德华异质结在其界面处的能带对准具有极高的可调性，并且载流子的层间传输特性可被栅压控制，这使得该类异质结在极宽的波段范围内光谱响应具有极佳的栅压可调性，为实现更高性能的微型光谱仪创造了极佳条件（如图1所示）。在本工作中，研究人员将范德华异质结的可调光谱响应和计算重构算法相结合，在单一范德华异质结的基础上实现了高性能光谱仪，其工作可以分为三个过程（如图2所示）：1）学习过程：测量多个已知窄带光谱的栅压依赖光谱响应；2）测试过程：测量待测未知入射光的栅压依赖光电流响应；3）重构过程：根据学习过程和测试过程的结果，计算并重构出入射光的未知光谱。

图1：可调范德华异质结光谱仪的原理图（图源：Science）

图2：可调范德华异质结光谱仪的光谱重构算法流程图（图源：Science）

研究人员选择由二硫化钼（MoS2）和二硒化钨（WSe2）构成的异质结以实现所提出的光谱仪。如图3A所示，异质结上下由六方氮化硼（h-BN）包裹进行保护，并采用石墨烯（Graphene）作为背栅极材料。石墨烯的应用有效提高了栅极对沟道的控制能力，使该异质结表现出明显的反双极特征，从而极大扩展了栅压控制下的波长依赖的响应度变化范围，为实现高性能光谱重构创造了可能，如图3B-D所示。图3D的栅压依赖的光谱响应度矩阵进一步用于学习过程及重构过程，并且在~405纳米至845纳米的宽光谱范围内重构得到了与商用光谱仪一致的窄带光谱（图3E）及复杂宽带光谱（图3F）。本文进一步研究了学习过程中步长（learning step）与重构光谱的峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio, PSNR）之间的关系，结果如图3G。根据拟合数据，峰值信噪比的极大值分别达到了~35.7dB（窄带光谱）和33.6dB（复杂宽带光谱）。这表明学习步长可进一步根据PSNR来确定，以达到最佳准确度和分辨率。

图3：可调范德华异质结光谱仪的表征及测试（图源：Science）

为探求该可调范德华异质结光谱仪的准确度和分辨率极限，研究人员以~0.1纳米的学习步长，对~675纳米至685纳米的窄带光进行学习。随后对该波长范围内的未知窄带光进行栅压依赖的光电流响应测量，并计算重构其光谱，结果如图4A-D所示。对比商用光谱仪测量结果，重构光谱的峰值位置平均误差为~0.36纳米，极小值达到了~0.04纳米。由此可以推断，该光谱仪的准确度与学习过程的步长在同一数量级，并由学习步长决定。研究人员同时也对不同复杂宽带光谱进行了测试，如图4E。对于宽带光谱，其峰值分辨极限甚至可以达到~0.9纳米。这些优异的性能指标表明该可调范德华异质结光谱仪以更小的尺寸在性能上超越了目前最先进的微型光谱仪。

图4：可调范德华异质结光谱仪的准确度和光谱分辨率测试标定结果（图源：Science）

研究人员通过空间点扫描的办法，利用该可调范德华异质结光谱仪进行了宏观光谱成像。一束宽带白光光源通过印有阿尔托大学图案的透明基板中的某个像素后入射到异质结，如图5A所示。透射光被该像素调制，携带其光谱信息，通过测量异质结栅压依赖的光电流响应，以及计算重构，即可获得该像素的光谱信息。如此往复扫描基板上的每个像素后，其图案的高光谱信息可被准确计算重现（图5B、5C）。

图5：基于可调范德华异质结光谱仪的光谱成像（图源：Science）

总结与展望：

本文所报道的可调范德华异质结光谱仪，简化了传统光谱仪中为实现高性能所采用的复杂光电探测器阵列、滤波器阵列，以及其他复杂的分光、色散结构和元件，使光谱仪尺寸缩小到微米量级；利用异质结栅压可调光谱响应的特性及计算重构算法，实现了极高的光谱准确度和分辨率。该工作是一项重要的基础性突破，将为大规模片上光子系统集成、芯片实验室等先进技术的小型化提供高性能解决方案。

审核编辑：彭静