可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀，以微米級尺寸實現(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)隊和上海交通大學(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Tawfique Hasan教授團(tuán)隊等合作開發(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，研究人員在可見光和近紅外波段突破性地實現(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需傳統(tǒng)光譜儀中的光柵、光電探測器陣列等復(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、芯片實驗室等先進(jìn)技術(shù)實現(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發(fā)表于《Science》期刊。值得一提的是，這篇論文也是該國際合作團(tuán)隊在《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、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，快速發(fā)展的各種便攜式設(shè)備和片上集成系統(tǒng)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。傳統(tǒng)臺式光譜儀利用光柵或色散元件將入射光的不同波長成分在空間中展開，并利用光電探測器陣列進(jìn)行探測，來獲得光譜信息。然而這些復(fù)雜的光路設(shè)計和光學(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，但進(jìn)一步小型化則是一個極大的挑戰(zhàn)。近期，計算重構(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)。目前這類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器數(shù)量及工作溫度等條件影響。在本項工作中，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)時豐富的可選性，提出一種全新的基于計算重構(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，在微米量級的單個異質(zhì)結(jié)中實現(xiàn)光譜探測。在該異質(zhì)結(jié)中，通過調(diào)節(jié)柵極電壓，波長依賴的響應(yīng)度呈現(xiàn)明顯變化，該特征被用于計算重構(gòu)未知入射光譜。

  2. 首次在微米尺度下實現(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，并利用該光譜儀實現(xiàn)了宏觀光譜成像。

  主要內(nèi)容：

  在計算重構(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)上實現(xiàn)了高性能光譜儀，其工作可以分為三個過程（如圖2所示）：1）學(xué)習(xí)過程：測量多個已知窄帶光譜的柵壓依賴光譜響應(yīng)；2）測試過程：測量待測未知入射光的柵壓依賴光電流響應(yīng)；3）重構(gòu)過程：根據(jù)學(xué)習(xí)過程和測試過程的結(jié)果，計算并重構(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依賴的響應(yīng)度變化范圍，為實現(xiàn)高性能光譜重構(gòu)創(chuàng)造了可能，如圖3B-D所示。圖3D的柵壓依賴的光譜響應(yīng)度矩陣進(jìn)一步用于學(xué)習(xí)過程及重構(gòu)過程，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)過程中步長（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)步長可進(jìn)一步根據(jù)PSNR來確定，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，對~675納米至685納米的窄帶光進(jìn)行學(xué)習(xí)。隨后對該波長范圍內(nèi)的未知窄帶光進(jìn)行柵壓依賴的光電流響應(yīng)測量，并計算重構(gòu)其光譜，結(jié)果如圖4A-D所示。對比商用光譜儀測量結(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)過程的步長在同一數(shù)量級，并由學(xué)習(xí)步長決定。研究人員同時也對不同復(fù)雜寬帶光譜進(jìn)行了測試，如圖4E。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試標(biāo)定結(jié)果（圖源：Science）

  研究人員通過空間點(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)行了宏觀光譜成像。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，其圖案的高光譜信息可被準(zhǔn)確計算重現(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：

  本文所報道的可調(diào)范德華異質(zhì)結(jié)光譜儀，簡化了傳統(tǒng)光譜儀中為實現(xiàn)高性能所采用的復(fù)雜光電探測器陣列、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；利用異質(zhì)結(jié)柵壓可調(diào)光譜響應(yīng)的特性及計算重構(gòu)算法，實現(xiàn)了極高的光譜準(zhǔn)確度和分辨率。該工作是一項重要的基礎(chǔ)性突破，將為大規(guī)模片上光子系統(tǒng)集成、芯片實驗室等先進(jìn)技術(shù)的小型化提供高性能解決方案。