信息學院陳佰樂、虞晶怡課題組合作,創新實現高性能的單像素智能微型光譜儀

ON2024-03-11CATEGORY科研進展

光譜測量是科學和工業研究中非常強大且廣泛使用的表征工具之一。傳統光譜儀通常需要使用機械可移動的部件,雖然能實現超高的光譜分辨率和極寬的光譜范圍,但其笨重的尺寸和重量阻礙了將其集成到實驗室光學系統、汽車電子系統、工業檢測設備,甚至是智能手機的可能。

近日,上??萍即髮W信息科學與技術學院陳佰樂、虞晶怡課題組聯合提出了一種基于AlGaAs/GaAs漸變帶隙PN結探測器(p-graded-n junction photodetector,簡稱pGn PD)的單像素智能微型光譜儀,并為光譜儀定制化設計了神經光譜場(Neural Spectral Fields, NSF)光譜重建方法,實現了高光學靈敏度、高光譜準確度和高光譜分辨率的單像素智能微型光譜儀。該成果發表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。


1 智能微型光譜儀


常規的光電探測器通常只能檢測入射光強度,無法判斷入射光的光譜信息。為得到光譜信息,需外置光柵或者多個光學濾波片結合單像素探測器進行多次測量。研究人員首次提出并制備了一種基于材料的漸變帶隙PN結單像素光電探測器完成了對入射光的光譜檢測,實現了光譜儀的功能。該pGn結型光譜儀通過改變PN結的工作偏壓實現了探測器響應截止波長動態可調。此微型光譜儀由標準的III-V族半導體工藝制造,達到微米級別,具備了大規模生產和集成的巨大潛力,且與焦平面陣列(FPA)制備工藝兼容,未來可進一步實現高光譜成像。


2  漸變帶隙PN結光譜儀的結構概述與電學性能


3 漸變帶隙PN結光譜儀的成像結果與陣列設計


漸變帶隙PN結光譜儀具有獨特的“電壓積累”響應矩陣。更高的電壓具有更寬的光譜響應曲線,使得光譜重建問題變得復雜?;贚1或L2正則化的傳統方法需要精細的參數調整才能實現高分辨率的重建。研究團隊提出一種全新的全自動化人工智能光譜重建方法,從測量的電流電壓曲線中提取深度特征,然后通過神經場(Neural Fields, NFs)重建連續光譜。通過進一步的細化過程,重建的光譜函數能夠符合基于物理的光譜響應積分約束,實現更高的光譜精度。該方法只需在仿真數據集上進行訓練,避免了傳統深度學習方法需要大量訓練用實測數據的問題。通過這一神經光譜場重建方法,漸變帶隙PN結光譜儀實現高達0.30 nm的光譜重建精度和高達10 nm的光譜分辨率,且光譜范圍廣泛,涵蓋從480 nm到820 nm的范圍。


4 漸變帶隙PN結光譜儀光譜測量流程及其結果

 

上??萍即髮W信息科學與技術學院2020級博士生王景熠、2021級碩士生潘貝貝和2019級博士生王梓為本工作共同第一作者。上??萍即髮W信息科學與技術學院陳佰樂教授和虞晶怡教授為共同通訊作者,上??萍即髮W為第一完成單位。本項研究器件制造得到了上??萍即髮W量子器件中心的支持。相關計算利用了上??萍即髮W圖信中心高性能計算平臺。

論文標題:Single-pixel p-graded-n junction spectrometers

文章鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-024-46066-5