可調范德華異質結光譜儀，以微米級尺寸實現(xiàn)極高的光譜準確度和分辨率

  近日，芬蘭阿爾托大學（Aalto University）孫志培院士團隊和上海交通大學蔡偉偉教授團隊、浙江大學楊宗銀教授團隊、四川大學崔漢驍教授團隊，以及英國劍橋大學的Tawfique Hasan教授團隊等合作開發(fā)了一種基于可調范德華異質結的高性能超微型光譜儀，其尺寸僅為數(shù)微米。通過學習該異質結在不同柵極電壓下的光電流響應特性，并結合先進的重構算法，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雜器件和結構，還具有極高的準確度和分辨率。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、芯片實驗室等先進技術實現(xiàn)了重要基礎性突破。相關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隊在《Science》期刊上發(fā)表的關于微型光譜儀的第三篇論文。

  研究背景：

  在工業(yè)檢測、化學和生物分析，以及地質勘探等領域，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行探測，來獲得光譜信息。然而這些復雜的光路設計和光學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，利用先進微納米加工技術將傳統(tǒng)分光或色散元件替換成更小型色散光學元件，例如光子晶體、超構表面、微型干涉儀等。這些技術可將光譜儀尺寸縮小至毫米量級，但進一步小型化則是一個極大的挑戰(zhàn)。近期，計算重構光譜技術被成功應用于光譜儀的微型化，通過預校準，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)特征，可實現(xiàn)基于計算重構算法的未知光譜重構。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)異的光電響應特性，以及其構成范德華異質結時豐富的可選性，提出一種全新的基于計算重構算法的高性能微型光譜儀。

  研究創(chuàng)新點：

  1. 首次提出并實現(xiàn)了范德華異質結光譜儀。突破傳統(tǒng)光譜儀的尺寸極限，在微米量級的單個異質結中實現(xiàn)光譜探測。在該異質結中，通過調節(jié)柵極電壓，波長依賴的響應度呈現(xiàn)明顯變化，該特征被用于計算重構未知入射光譜。

  2. 首次在微米尺度下實現(xiàn)了~0.36納米的窄帶光譜準確度，以及~3納米的復雜寬帶光譜分辨率，并利用該光譜儀實現(xiàn)了宏觀光譜成像。

  主要內容：

  在計算重構技術中，重構光譜的準確度和分辨率取決于器件光譜響應對柵極電壓變化的靈敏度。由于單一材料的能帶結構固定，其光譜響應變化有限，且可調節(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，由二維材料構成的范德華異質結在其界面處的能帶對準具有極高的可調性，并且載流子的層間傳輸特性可被柵壓控制，這使得該類異質結在極寬的波段范圍內光譜響應具有極佳的柵壓可調性，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結的可調光譜響應和計算重構算法相結合，在單一范德華異質結的基礎上實現(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）學習過程：測量多個已知窄帶光譜的柵壓依賴光譜響應；2）測試過程：測量待測未知入射光的柵壓依賴光電流響應；3）重構過程：根據(jù)學習過程和測試過程的結果，計算并重構出入射光的未知光譜。

圖1：可調范德華異質結光譜儀的原理圖（圖源：Science）

圖2：可調范德華異質結光譜儀的光譜重構算法流程圖（圖源：Science）

  研究人員選擇由二硫化鉬（MoS2）和二硒化鎢（WSe2）構成的異質結以實現(xiàn)所提出的光譜儀。如圖3A所示，異質結上下由六方氮化硼（h-BN）包裹進行保護，并采用石墨烯（Graphene）作為背柵極材料。石墨烯的應用有效提高了柵極對溝道的控制能力，使該異質結表現(xiàn)出明顯的反雙極特征，從而極大擴展了柵壓控制下的波長依賴的響應度變化范圍，為實現(xiàn)高性能光譜重構創(chuàng)造了可能，如圖3B-D所示。圖3D的柵壓依賴的光譜響應度矩陣進一步用于學習過程及重構過程，并且在~405納米至845納米的寬光譜范圍內重構得到了與商用光譜儀一致的窄帶光譜（圖3E）及復雜寬帶光譜（圖3F）。本文進一步研究了學習過程中步長（learning step）與重構光譜的峰值信噪比（peak signal-to-noise ratio, PSNR）之間的關系，結果如圖3G。根據(jù)擬合數(shù)據(jù)，峰值信噪比的極大值分別達到了~35.7dB（窄帶光譜）和33.6dB（復雜寬帶光譜）。這表明學習步長可進一步根據(jù)PSNR來確定，以達到最佳準確度和分辨率。

圖3：可調范德華異質結光譜儀的表征及測試（圖源：Science）

  為探求該可調范德華異質結光譜儀的準確度和分辨率極限，研究人員以~0.1納米的學習步長，對~675納米至685納米的窄帶光進行學習。隨后對該波長范圍內的未知窄帶光進行柵壓依賴的光電流響應測量，并計算重構其光譜，結果如圖4A-D所示。對比商用光譜儀測量結果，重構光譜的峰值位置平均誤差為~0.36納米，極小值達到了~0.04納米。由此可以推斷，該光譜儀的準確度與學習過程的步長在同一數(shù)量級，并由學習步長決定。研究人員同時也對不同復雜寬帶光譜進行了測試，如圖4E。對于寬帶光譜，其峰值分辨極限甚至可以達到~0.9納米。這些優(yōu)異的性能指標表明該可調范德華異質結光譜儀以更小的尺寸在性能上超越了目前最先進的微型光譜儀。

圖4：可調范德華異質結光譜儀的準確度和光譜分辨率測試標定結果（圖源：Science）

  研究人員通過空間點掃描的辦法，利用該可調范德華異質結光譜儀進行了宏觀光譜成像。一束寬帶白光光源通過印有阿爾托大學圖案的透明基板中的某個像素后入射到異質結，如圖5A所示。透射光被該像素調制，攜帶其光譜信息，通過測量異質結柵壓依賴的光電流響應，以及計算重構，即可獲得該像素的光譜信息。如此往復掃描基板上的每個像素后，其圖案的高光譜信息可被準確計算重現(xiàn)（圖5B、5C）。

圖5：基于可調范德華異質結光譜儀的光譜成像（圖源：Science）

  總結與展望：

  本文所報道的可調范德華異質結光譜儀，簡化了傳統(tǒng)光譜儀中為實現(xiàn)高性能所采用的復雜光電探測器陣列、濾波器陣列，以及其他復雜的分光、色散結構和元件，使光譜儀尺寸縮小到微米量級；利用異質結柵壓可調光譜響應的特性及計算重構算法，實現(xiàn)了極高的光譜準確度和分辨率。該工作是一項重要的基礎性突破，將為大規(guī)模片上光子系統(tǒng)集成、芯片實驗室等先進技術的小型化提供高性能解決方案。