如今，光譜儀已成為工業(yè)檢測、化學(xué)、生物分析以及地質(zhì)勘探等領(lǐng)域不可缺少的重要儀器。由于各種便攜設(shè)備和片上集成系統(tǒng)發(fā)展迅速，對微型化、高性能（包括高分辨率及寬帶響應(yīng)等）光譜儀的需求日益迫切。
近期，研究者將計算重構(gòu)光譜技術(shù)應(yīng)用于光譜儀微型化，通過預(yù)校準(zhǔn)并根據(jù)測量數(shù)據(jù)特征，可實現(xiàn)基于計算重構(gòu)算法的未知光譜重構(gòu)。
但是，這些基于計算重構(gòu)算法的微型化光譜儀的性能還十分受限，分辨率和工作帶寬通常會受到探測器數(shù)量及工作溫度等條件的影響。因此，科學(xué)家于近日開發(fā)出一種新型可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)的超微型光譜儀，尺寸僅為數(shù)微米。相關(guān)論文以《帶有可調(diào)諧范德華結(jié)的小型化光譜儀》（Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction）為題發(fā)表于 Science 期刊。
該論文由芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University）孫志培院士團(tuán)隊、上海交通大學(xué)蔡偉偉教授團(tuán)隊、浙江大學(xué)楊宗銀教授團(tuán)隊、四川大學(xué)崔漢驍教授團(tuán)隊以及英國劍橋大學(xué)的陶菲克·哈桑（Tawfique Hasan）教授團(tuán)隊等合作完成。值得一提的是，這篇論文是該國際合作團(tuán)隊在 Science 上發(fā)表的關(guān)于微型光譜儀的第三篇論文。
孫志培院士評論說：“該種方式相比于基于陣列探測器的光譜儀能進(jìn)一步減小尺寸。另外，該方案可通過改變材料實現(xiàn)更寬的光譜探測范圍?！?/p>
傳統(tǒng)的光譜儀微型化技術(shù)路徑通過犧牲部分性能，利用先進(jìn)微納米加工技術(shù)將傳統(tǒng)分光元件盡可能縮小至毫米量級，但要想進(jìn)一步小型化仍然具有極大的挑戰(zhàn)。
為解決這項難題，研究人員利用二維材料優(yōu)異的光電響應(yīng)特性，以及其構(gòu)成范德華異質(zhì)結(jié)時豐富的可選性，制造出全新的基于計算重構(gòu)算法的高性能微型光譜儀。
該微型光譜儀擁有許多創(chuàng)新之處。具體來說，研究團(tuán)隊首次提出并實現(xiàn)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀，突破了傳統(tǒng)光譜儀尺寸極限，在微米量級單個異質(zhì)結(jié)中實現(xiàn)了光譜探測。
具體來講，就是在上文提到的異質(zhì)結(jié)中，通過調(diào)節(jié)柵壓使波長依賴的響應(yīng)度呈現(xiàn)明顯變化。
不僅如此，研究者還首次在微米尺度下實現(xiàn) 0.36 納米的窄帶光譜準(zhǔn)確度，以及 3 納米的復(fù)雜寬帶光譜分辨率，并利用該光譜儀成功實現(xiàn)宏觀光譜成像。
該工作不僅為高性能光譜儀的微型化提供全新思路，也為大規(guī)模片上光子系統(tǒng)集成等先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)了重要的基礎(chǔ)性突破。
孫志培院士評價說：“與傳統(tǒng)光譜儀不同，范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀采用完全不同的技術(shù)路線。光譜儀中無需采用任何分光元件而僅由一個范德華異質(zhì)結(jié)探測器構(gòu)成。該探測器由幾層不同的二維材料堆疊而成，因此當(dāng)厚度縮小至納米級別時，橫向尺寸也僅為微米量級。”
將范德華異質(zhì)結(jié)可調(diào)光譜響應(yīng)和計算重構(gòu)算法結(jié)合，制造出更高性能微型光譜儀
在本工作中，研究人員將范德華異質(zhì)結(jié)可調(diào)光譜響應(yīng)和計算重構(gòu)算法相結(jié)合，在單一范德華異質(zhì)結(jié)基礎(chǔ)制造出高性能光譜儀。研究過程可分為學(xué)習(xí)、測試與重構(gòu)三個階段。
圖 | 光譜重構(gòu)算法流程圖（來源：Science）
關(guān)于計算重構(gòu)算法，上海交通大學(xué)蔡偉偉教授說：“我們可以認(rèn)為范德華異質(zhì)結(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)類似卷積函數(shù)的功能，而且通過改變其柵極電壓可以實現(xiàn)不同卷積函數(shù)之間的相互切換?！?/p>
當(dāng)入射光打到異質(zhì)結(jié)探測器上時，探測器就會對其光譜進(jìn)行“卷積”操作。如果事先通過實驗標(biāo)定這些 “卷積函數(shù)”，則可以通過求解逆向問題獲得入射光光譜，類似于反卷積操作。對于異質(zhì)結(jié)光譜儀來說，器件和算法缺一不可，沒有算法的加持，該光譜儀的功能就無法實現(xiàn)。
在計算重構(gòu)技術(shù)中，重構(gòu)光譜的準(zhǔn)確度和分辨率由器件光譜響應(yīng)對柵極電壓變化的靈敏度決定。
圖 | 可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀原理圖 （來源：Science）
由二維材料構(gòu)成的范德華異質(zhì)結(jié)，在其界面處的能帶對準(zhǔn)具有極高的可調(diào)性，且載流子的層間傳輸特性可被柵壓控制。
對光譜儀進(jìn)行表征及測試，采用石墨烯作為背柵極材料
研究人員選擇由二硫化鉬（MoS2）和二硒化鎢（WSe2）構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)以實現(xiàn)所提出的光譜儀。異質(zhì)結(jié)上下由六方氮化硼（h-BN）包裹進(jìn)行保護(hù)，并采用石墨烯（Graphene）作為背柵極材料。
圖 | 可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀的表征及測試（來源：Science）
應(yīng)用石墨烯能夠有效提升柵極對溝道的控制能力，使該異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出明顯的反雙極特征，從而極大擴(kuò)展柵壓控制下的波長依賴響應(yīng)度變化范圍，為實現(xiàn)高性能光譜重構(gòu)創(chuàng)造可能。
柵壓依賴的光譜響應(yīng)度矩陣可以進(jìn)一步應(yīng)用于學(xué)習(xí)與重構(gòu)過程，并且在 405-845 納米的寬光譜范圍內(nèi)重構(gòu)，獲得與商用光譜儀一致的窄帶光譜及復(fù)雜的寬帶光譜。
研究人員還進(jìn)一步研究了學(xué)習(xí)過程中步長與重構(gòu)光譜的峰值信噪比（PSNR，peak signal-to-noise ratio）之間的關(guān)系。根據(jù)擬合數(shù)據(jù)，峰值信噪比的極大值分別達(dá)到 35.7dB （窄帶光譜）和 33.6dB （復(fù)雜寬帶光譜）。這表明，學(xué)習(xí)步長可進(jìn)一步根據(jù) PSNR 確定，以達(dá)到最佳準(zhǔn)確度和分辨率。
探求可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀的準(zhǔn)確度和分辨率極限
接下來，為探求可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀的準(zhǔn)確度和分辨率極限，研究人員以 0.1 納米的學(xué)習(xí)步長對 675-685 納米的窄帶光進(jìn)行學(xué)習(xí)。隨后，研究者對該波長范圍內(nèi)未知窄帶光進(jìn)行柵壓依賴的光電流響應(yīng)測量，并計算重構(gòu)其光譜。
圖 | 可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀的準(zhǔn)確度和光譜分辨率測試標(biāo)定結(jié)果（來源：Science）
對比商用光譜儀的測量結(jié)果，重構(gòu)光譜峰值位置平均誤差為 0.36 納米，用極小值就能達(dá)到 0.04 納米。由此可以推斷，該光譜儀的準(zhǔn)確度與學(xué)習(xí)過程的步長屬于同一數(shù)量級，并由學(xué)習(xí)步長決定。
同時，研究人員也對不同復(fù)雜寬帶光譜進(jìn)行了測試。對于寬帶光譜，其峰值分辨極限甚至可以達(dá)到 0.9 納米。這些優(yōu)異的性能指標(biāo)表明，該異質(zhì)結(jié)光譜儀以更小的尺寸在性能上超越目前最先進(jìn)的微型光譜儀。
通過空間點掃描法進(jìn)行宏觀光譜成像
在接下來的過程中，研究人員通過空間點掃描法，利用該異質(zhì)結(jié)光譜儀進(jìn)行宏觀光譜成像。期間，一束寬帶白光光源通過印有阿爾托大學(xué)圖案的透明基板中的某個像素后入射進(jìn)異質(zhì)結(jié)之中。
圖 | 基于可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀的光譜成像（來源：Science）
透射光通過測量異質(zhì)結(jié)柵壓依賴的光電流響應(yīng)以及計算重構(gòu)即可獲得該像素的光譜信息。如此往復(fù)掃描基板上的每個像素后，其圖案的高光譜照片可被準(zhǔn)確計算重現(xiàn)。
光電子集成技術(shù)和計算方法的交叉融合是一個非常有前景的方向，通過與算法的結(jié)合可以創(chuàng)造全新的研究范式，促進(jìn)顛覆性技術(shù)被提出，打破傳統(tǒng)技術(shù)性能瓶頸。
目前，重構(gòu)式微型光譜儀的研究思路主要還是探索不同半導(dǎo)體材料，實現(xiàn)具有不同光譜響應(yīng)（卷積函數(shù)）的探測器陣列或光譜響應(yīng)可調(diào)單探測器。然而，研究人員還無法對材料的光譜響應(yīng)進(jìn)行精確調(diào)控?！拔磥?，通過人工智能算法我們可以逆向設(shè)計所需的材料及結(jié)構(gòu)，使得光譜儀性能得到進(jìn)一步提升?！睏钭阢y教授說。
