傳統(tǒng)光譜儀在科學(xué)和工業(yè)研究中發(fā)揮著重要作用，但由于其笨重的尺寸和重量，限制了其在實(shí)驗(yàn)室光學(xué)系統(tǒng)、汽車電子系統(tǒng)、工業(yè)檢測設(shè)備以及智能手機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用。因此，開發(fā)一種小型化、智能化的光譜儀成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

上�？萍即髮W(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的陳佰樂、虞晶怡課題組成功研發(fā)出一種基于AlGaAs/GaAs漸變帶隙PN結(jié)探測器的單像素智能微型光譜儀。該光譜儀結(jié)合神經(jīng)光譜場（Neural Spectral Fields, NSF）光譜重建方法，實(shí)現(xiàn)了高光學(xué)靈敏度、高光譜準(zhǔn)確度和高光譜分辨率的測量。

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圖1.智能微型光譜儀

該光譜儀通過改變PN結(jié)的工作偏壓實(shí)現(xiàn)探測器響應(yīng)截止波長動態(tài)可調(diào)。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)為光譜儀定制化設(shè)計(jì)了神經(jīng)光譜場（Neural Spectral Fields, NSF）光譜重建方法，從測量的電流電壓曲線中提取深度特征，通過神經(jīng)場（Neural Fields, NFs）重建連續(xù)光譜。

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圖2.漸變帶隙PN結(jié)光譜儀的結(jié)構(gòu)概述與電學(xué)性能

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圖3.漸變帶隙PN結(jié)光譜儀的成像結(jié)果與陣列設(shè)計(jì)

通過這一神經(jīng)光譜場重建方法，漸變帶隙PN結(jié)光譜儀實(shí)現(xiàn)高達(dá)0.30nm的光譜重建精度和高達(dá)10nm的光譜分辨率，且光譜范圍廣泛，涵蓋從480nm到820nm的范圍。該光譜儀由標(biāo)準(zhǔn)的III-V族半導(dǎo)體工藝制造，達(dá)到微米級別，具備大規(guī)模生產(chǎn)和集成的潛力，且與焦平面陣列（FPA）制備工藝兼容，未來可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高光譜成像。

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圖4.漸變帶隙PN結(jié)光譜儀光譜測量流程及其結(jié)果

這一研究成果為光譜儀的小型化、智能化提供了新的思路和方法，有望推動光譜技術(shù)在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。同時(shí)，該光譜儀的制造工藝與焦平面陣列（FPA）制備工藝兼容，為未來的高光譜成像技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。該智能微型光譜儀有望在環(huán)境監(jiān)測、食品安全、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用提供更多可能性。

該成果已發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications），標(biāo)題《Single-pixel p-graded-n junction spectrometers》。上海科技大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院的陳佰樂教授和虞晶怡教授為共同通訊作者，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。本項(xiàng)研究器件制造得到了上�？萍即髮W(xué)量子器件中心的支持。

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