可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀，以微米級(jí)尺寸實(shí)現(xiàn)極高的光譜準(zhǔn)確度和分辨率

  近日，芬蘭阿爾托大學(xué)（Aalto University）孫志培院士團(tuán)隊(duì)和上海交通大學(xué)蔡偉偉教授團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)楊宗銀教授團(tuán)隊(duì)、四川大學(xué)崔漢驍教授團(tuán)隊(duì)，以及英國(guó)劍橋大學(xué)的Tawfique Hasan教授團(tuán)隊(duì)等合作開(kāi)發(fā)了一種基于可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)的高性能超微型光譜儀，其尺寸僅為數(shù)微米。通過(guò)學(xué)習(xí)該異質(zhì)結(jié)在不同柵極電壓下的光電流響應(yīng)特性，并結(jié)合先進(jìn)的重構(gòu)算法，研究人員在可見(jiàn)光和近紅外波段突破性地實(shí)現(xiàn)了~0.36納米的窄帶光譜準(zhǔn)確度，以及~3納米的寬帶光譜分辨率。該新型光譜儀不僅無(wú)需傳統(tǒng)光譜儀中的光柵、光電探測(cè)器陣列等復(fù)雜器件和結(jié)構(gòu)，還具有極高的準(zhǔn)確度和分辨率。該工作不僅為高性能光譜儀的微型化提供了全新的思路，也為大規(guī)模片上光子系統(tǒng)集成、芯片實(shí)驗(yàn)室等先進(jìn)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了重要基礎(chǔ)性突破。相關(guān)研究成果于近日以題為“Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction”的研究論文形式在線(xiàn)發(fā)表于《Science》期刊。值得一提的是，這篇論文也是該國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)在《Science》期刊上發(fā)表的關(guān)于微型光譜儀的第三篇論文。

  研究背景：

  在工業(yè)檢測(cè)、化學(xué)和生物分析，以及地質(zhì)勘探等領(lǐng)域，光譜儀已經(jīng)成為不可缺少的儀器。近年來(lái)，快速發(fā)展的各種便攜式設(shè)備和片上集成系統(tǒng)對(duì)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。傳統(tǒng)臺(tái)式光譜儀利用光柵或色散元件將入射光的不同波長(zhǎng)成分在空間中展開(kāi)，并利用光電探測(cè)器陣列進(jìn)行探測(cè)，來(lái)獲得光譜信息。然而這些復(fù)雜的光路設(shè)計(jì)和光學(xué)元件使得光譜儀的微型化困難重重，所以傳統(tǒng)策略是犧牲部分性能，利用先進(jìn)微納米加工技術(shù)將傳統(tǒng)分光或色散元件替換成更小型色散光學(xué)元件，例如光子晶體、超構(gòu)表面、微型干涉儀等。這些技術(shù)可將光譜儀尺寸縮小至毫米量級(jí)，但進(jìn)一步小型化則是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。近期，計(jì)算重構(gòu)光譜技術(shù)被成功應(yīng)用于光譜儀的微型化，通過(guò)預(yù)校準(zhǔn)，并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)特征，可實(shí)現(xiàn)基于計(jì)算重構(gòu)算法的未知光譜重構(gòu)。目前這類(lèi)光譜儀的性能還十分受限，分辨率和工作帶寬通常受到探測(cè)器數(shù)量及工作溫度等條件影響。在本項(xiàng)工作中，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(shí)豐富的可選性，提出一種全新的基于計(jì)算重構(gòu)算法的高性能微型光譜儀。

  研究創(chuàng)新點(diǎn)：

  1. 首次提出并實(shí)現(xiàn)了范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀。突破傳統(tǒng)光譜儀的尺寸極限，在微米量級(jí)的單個(gè)異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)光譜探測(cè)。在該異質(zhì)結(jié)中，通過(guò)調(diào)節(jié)柵極電壓，波長(zhǎng)依賴(lài)的響應(yīng)度呈現(xiàn)明顯變化，該特征被用于計(jì)算重構(gòu)未知入射光譜。

  2. 首次在微米尺度下實(shí)現(xiàn)了~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，并利用該光譜儀實(shí)現(xiàn)了宏觀(guān)光譜成像。

  主要內(nèi)容：

  在計(jì)算重構(gòu)技術(shù)中，重構(gòu)光譜的準(zhǔn)確度和分辨率取決于器件光譜響應(yīng)對(duì)柵極電壓變化的靈敏度。由于單一材料的能帶結(jié)構(gòu)固定，其光譜響應(yīng)變化有限，且可調(diào)節(jié)范圍受材料帶寬限制，這成為此類(lèi)光譜儀性能受限的主要原因。相比之下，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(duì)準(zhǔn)具有極高的可調(diào)性，并且載流子的層間傳輸特性可被柵壓控制，這使得該類(lèi)異質(zhì)結(jié)在極寬的波段范圍內(nèi)光譜響應(yīng)具有極佳的柵壓可調(diào)性，為實(shí)現(xiàn)更高性能的微型光譜儀創(chuàng)造了極佳條件（如圖1所示）。在本工作中，研究人員將范德華異質(zhì)結(jié)的可調(diào)光譜響應(yīng)和計(jì)算重構(gòu)算法相結(jié)合，在單一范德華異質(zhì)結(jié)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高性能光譜儀，其工作可以分為三個(gè)過(guò)程（如圖2所示）：1）學(xué)習(xí)過(guò)程：測(cè)量多個(gè)已知窄帶光譜的柵壓依賴(lài)光譜響應(yīng)；2）測(cè)試過(guò)程：測(cè)量待測(cè)未知入射光的柵壓依賴(lài)光電流響應(yīng)；3）重構(gòu)過(guò)程：根據(jù)學(xué)習(xí)過(guò)程和測(cè)試過(guò)程的結(jié)果，計(jì)算并重構(gòu)出入射光的未知光譜。

圖1：可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀的原理圖（圖源：Science）

圖2：可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀的光譜重構(gòu)算法流程圖（圖源：Science）

  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(shí)現(xiàn)所提出的光譜儀。如圖3A所示，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。石墨烯的應(yīng)用有效提高了柵極對(duì)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)展了柵壓控制下的波長(zhǎng)依賴(lài)的響應(yīng)度變化范圍，為實(shí)現(xiàn)高性能光譜重構(gòu)創(chuàng)造了可能，如圖3B-D所示。圖3D的柵壓依賴(lài)的光譜響應(yīng)度矩陣進(jìn)一步用于學(xué)習(xí)過(guò)程及重構(gòu)過(guò)程，并且在~405納米至845納米的寬光譜范圍內(nèi)重構(gòu)得到了與商用光譜儀一致的窄帶光譜（圖3E）及復(fù)雜寬帶光譜（圖3F）。本文進(jìn)一步研究了學(xué)習(xí)過(guò)程中步長(zhǎng)（learning step）與重構(gòu)光譜的峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio, PSNR）之間的關(guān)系，結(jié)果如圖3G。根據(jù)擬合數(shù)據(jù)，峰值信噪比的極大值分別達(dá)到了~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(zhǎng)可進(jìn)一步根據(jù)PSNR來(lái)確定，以達(dá)到最佳準(zhǔn)確度和分辨率。

圖3：可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀的表征及測(cè)試（圖源：Science）

  為探求該可調(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(zhǎng)，對(duì)~675納米至685納米的窄帶光進(jìn)行學(xué)習(xí)。隨后對(duì)該波長(zhǎng)范圍內(nèi)的未知窄帶光進(jìn)行柵壓依賴(lài)的光電流響應(yīng)測(cè)量，并計(jì)算重構(gòu)其光譜，結(jié)果如圖4A-D所示。對(duì)比商用光譜儀測(cè)量結(jié)果，重構(gòu)光譜的峰值位置平均誤差為~0.36納米，極小值達(dá)到了~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(guò)程的步長(zhǎng)在同一數(shù)量級(jí)，并由學(xué)習(xí)步長(zhǎng)決定。研究人員同時(shí)也對(duì)不同復(fù)雜寬帶光譜進(jìn)行了測(cè)試，如圖4E。對(duì)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)表明該可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀以更小的尺寸在性能上超越了目前最先進(jìn)的微型光譜儀。

圖4：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(cè)試標(biāo)定結(jié)果（圖源：Science）

  研究人員通過(guò)空間點(diǎn)掃描的辦法，利用該可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀進(jìn)行了宏觀(guān)光譜成像。一束寬帶白光光源通過(guò)印有阿爾托大學(xué)圖案的透明基板中的某個(gè)像素后入射到異質(zhì)結(jié)，如圖5A所示。透射光被該像素調(diào)制，攜帶其光譜信息，通過(guò)測(cè)量異質(zhì)結(jié)柵壓依賴(lài)的光電流響應(yīng)，以及計(jì)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(gè)像素后，其圖案的高光譜信息可被準(zhǔn)確計(jì)算重現(xiàn)（圖5B、5C）。

圖5：基于可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀的光譜成像（圖源：Science）

  總結(jié)與展望：

  本文所報(bào)道的可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀，簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)光譜儀中為實(shí)現(xiàn)高性能所采用的復(fù)雜光電探測(cè)器陣列、濾波器陣列，以及其他復(fù)雜的分光、色散結(jié)構(gòu)和元件，使光譜儀尺寸縮小到微米量級(jí)；利用異質(zhì)結(jié)柵壓可調(diào)光譜響應(yīng)的特性及計(jì)算重構(gòu)算法，實(shí)現(xiàn)了極高的光譜準(zhǔn)確度和分辨率。該工作是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性突破，將為大規(guī)模片上光子系統(tǒng)集成、芯片實(shí)驗(yàn)室等先進(jìn)技術(shù)的小型化提供高性能解決方案。