可调光谱像素矩阵，助力光学器件多功能化

简介

近日，来自浙江大学光电科学与工程学院的何赛灵研究团队在微纳光子学领域有了新进展。基于二氧化钒相变材料，该团队开发出了一种可调光谱像素矩阵，为可调控光学器件和可编程光学器件的多功能化和实用化提供了可行方案。相比于过去可调器件的单一优点，该成果在多个方面（超快、超耐用、可编程）优势显著，有望应用于生物医学、病理检查等场景，例如在生物医学应用中，高光谱探测及成像芯片可应用于内窥镜及微小型的床边/POCT即时检验。

这项研究成果于2024年8月12日发表在国际顶尖学术期刊Nature Nanotechnology 上，论文题目为Durable and programmable ultrafast nanophotonic matrix of spectral pixels。浙江大学光电科学与工程学院何赛灵教授是本文通讯作者，博士后郭庭彪及博士生张智为本论文第一作者；此外，博士生林子舰、硕士生田佳涵、金毅副教授、Julian Evans副教授，台州恩泽医疗中心徐颖鹤教授也在其中作出了重要贡献。该研究主要受国家重点研发计划、浙江省尖兵领雁计划、宁波市科技计划项目、上海张江科学城专项发展基金、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的资助。

研究背景

近年来，得益于各种微纳加工技术的不断进步和平面光学的兴起，光子器件正变得越来越小型化和集成化。超透镜、超表面偏振器件以及超表面光谱仪等创新产品备受瞩目，它们以其卓越的性能和小巧的体积，为光学领域带来了革命性的变化。然而，大多数光子器件一旦制造完成，其功能便固定且单一，难以适应多变的应用需求。为了解决这一问题，研究者们提出了可调光学器件的概念，旨在通过调节器件特性以适应不同的使用场景，从而大幅提升光学器件的功能性和实用性。实现可调性的方法和技术材料多种多样，各有千秋。液晶材料以其在显示器领域的广泛应用而著称，能够实现准连续的相位和强度调制，但面临调制速率较慢和与偏振相关的局限性。基于电光效应和载流子注入的器件则以其超高工作带宽脱颖而出，尽管它们的调制深度有待提高。电化学方法和相变材料则以其较大的强度调制能力吸引了研究者的目光，但它们在速度和寿命方面的表现仍是一个挑战。另一方面，微机电系统（MEMS）以其出色的调制深度和开关速率在多个领域中取得了显著成就，尽管其复杂的制作工艺和较大的占地面积仍是需要克服的难题。在这场光学器件的技术革命中，如何平衡各种技术的优缺点，选择最适合的方案以满足特定应用的需求，是研究者们面临的挑战。

研究内容

基于此，何赛灵研究团队提出了一种单像素可调控的光谱矩阵，同时满足高速、长寿命和多像素可编程性等要求。该像素单元基于二氧化钒相变材料，单个像素采用微加热器驱动相变，可以实现逐点像素控制。通过优化设计，团队在提高调制速度、增加调制深度、延长器件寿命等方面取得了新的突破，并展示了结构色显示及计算光谱探测两种新型应用（图1）。

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图1.纳米光谱像素矩阵的示意图

首先，团队对二氧化钒微腔结构的相变性能进行了详细表征。该结构二氧化钒微腔仅由银基底及二氧化钒层构成，通过改变二氧化钒的厚度可以获得可见光全色域的颜色。除了相变前后两个状态之外，可以通过改变温度或者电信号实现超过60个稳定的中间态（图2）。颜色和光谱的巨大调制能力以及众多稳定的中间态都为后续实现显示器件及光谱复原提供了良好的基础。

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图2.VO2微腔结构的相变特性

在先前的工作中，依靠电调控的VO2器件速率多在1kHz，远低于其理论调制速率。之前电可调器件的研究表明，基底的选择对器件的升温和降温过程具有非常大的影响。据此，团队通过优化基底的传导热通道，最终将器件的响应速度提升至70 kHz，升温速率和降温速率为对应硅/二氧化硅基底的335和11倍（图3）。

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图3.VO2微腔电热响应速度的优化

除此之外，团队还验证了器件的稳定性，证明在一百万次切换后器件性能无明显退化（图4）。二氧化钒相变材料相变前后光学性质的巨大变化，使其仅需要简单的结构就可以对颜色产生巨大的调控，这使得团队可以通过行列寻址的方式实现一个微型显示器（图5）。

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图4.VO2微腔的动态响应和耐久性测试

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图5.结构色显示器演示

颜色调控的背后是光谱调控，进一步的，团队采用了四个不同厚度的二氧化钒微腔作为一个超单元，同时在晶态和非晶态之外，通过温度/电压的控制可以实现超过60个稳定的中间态，拓宽了光谱通道。基于此，研究团队设计了一个计算光谱仪原型，可以按照需求工作在多点快照探测或单点可调探测模式，在整个可见光波段实现了良好的复原效果。

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图6.通过时空调制进行光谱探测，a为芯片光学显微镜实物图；b-c为原理示意图，d为4个滤光片诸多中间态反射谱；e-i为光谱复原结果

研究亮点

一个理想的可调光子器件应该同时满足大调制能力、固态、高速开关、多切换次数、高可扩展性和像素级可编程性等要求。为了权衡各种需求和更好的性能，我们需要研究透彻每一种材料、设计和驱动方式对器件性能的影响。本研究提出了一种基于二氧化钒的可调光谱像素矩阵，相比之前的电可调相变材料器件在诸多方面有了显著进步。

在像素级可编程性上，以往的器件仅为单个或数个像素，而我们的器件实现了144个像素精确控制。

在调制频率上，以往微米尺寸器件调制频率通常小于1kHz，而我们的器件实现了超过70kHz的高速调制。

在器件稳定性上，以往器件在数千次循环切换后器件性能开始明显退化，而我们的器件在超过100万次切换后器件性能稳定没有退化。

在多状态控制上，以往器件仅能实现10个以内稳定的中间态控制，而我们的器件能通过电信号实现超过60个稳定的中间态。

除此之外，基于相变材料相变前后巨大的光谱调制和众多稳定的中间态，我们展示了结构色显示及一种用于光谱检测的时空调制概念。

研究没有一帆风顺，但是殊途同归

《周易·系辞下》：”天下同归而殊途，一致而百虑。” 最初，团队研究的并不是二氧化钒相变材料，而是有着更多引人注目性质的Ge2Sb2Te5(GST)。GST在近红外波段具有较大的折射率对比度，其非易失性在超低功耗器件方面有很大应用前景。同时，电可调GST的研究在当时（2020年）还较少，处于一个‘蓝海’阶段。研究中，恰逢两篇高水平文章（Nature Nanotechnology 16, 661-666 (2021) 和Nature Nanotechnology 16.6 (2021): 667-672.）发表，更给了团队信心。然而，由于该材料相变条件非常苛刻（非晶化需要温度超过700度，且以109 ℃/s的速率降温），研究进展一直不顺利。在进行了多次器件迭代，改善设备和测试条件之后，团队最终成功实现了相变材料的电可调切换，然而循环次数也仅有2-3次，这一结果完全达不到实用水平。在进行了一系列优化后，循环次数仍没有有效的提升，同时，团队注意到在后续的几项前沿工作中（Nature Communications 13.1 (2022): 1696，Nature Nanotechnology 17.8 (2022): 842-848.），该材料循环次数也仅有1000次左右。这使得我们重新审视了我们的工作和目标，尽管这种材料有着许多吸引人的优点，但仍有几点阻碍了它更广泛的应用：上述提到的可调次数仅有1000次，超过这个次数之后材料性能会发生明显退化；同时，为了保障相变前后材料性质的稳定，会采取较长的退火时间，以使材料充分晶化，这也限制了器件实际的工作频率，通常只有几kHz而达不到材料本身GHz的调控频率限制；最后，相变的苛刻条件必将会对未来大面积，多像素调控产生更多的影响。

之后，团队将研究方向转向了另一种相变材料-氧化钒(VO2)。它具有较低的相变温度（68度），可靠的循环性和理论上的高调制速率。最终，在克服材料制备、测试等问题后，研究团队提出了基于氧化钒相变材料的光谱像素单元，通过加热发生相变可以对颜色和光谱产生巨大的调制。尽管在电调GST器件的研究中没有取得良好的结果，但是研究过程中积累的经验扎扎实实的应用在了氧化钒器件的研究中。

科研之中会有这样那样的弯路，但不会有白走的路，只要坚定目标，最后一定是殊途同归。在未来的研究中，如何进一步地拓展可调材料的应用范围和实用性，实现光学器件多功能化是需要持续努力的方向。随着可编程纳米光谱像素技术的不断发展，我们正站在一个新时代的门槛上，一个光学器件更加智能、更加灵活的时代，让我们拭目以待，这些创新技术将如何塑造我们的未来。

文章信息

Guo, T., Zhang, Z., Lin, Z. et al. Durable and programmable ultrafast nanophotonic matrix of spectral pixels. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01756-5

作者介绍

何赛灵，浙江大学光电学院教授、博士生导师，国际电气电子工程师协会会士、美国光学学会会士、国际光学工程学会会士及Fellow  of the Electromagnetics Academy （国际电磁科学院）。教育部首批长江特聘教授， 曾获浙江省科学技术一等奖 (排名第一)，并2次获浙江省自然科学一等奖（2018年排名第一; 2020年排名第二)。主要从事先进光电技术研究，具体包括智能感知技术、亚波长微纳光子学、生物光子及医工信交叉、传感与通讯技术等领域的研究。先后发表了800多篇国际期刊文章，论文被他引超4万多次而个人H因子为98（Google Scholar），连续多年入选美国斯坦福大学所发布的全球前2%顶尖科学家终身成就排行榜（2023年在所有学科领域汇总 国际排名13506，在光电子与光子学（Optoelectronics & Photonics）领域123678学者中全球位列第32位））及年度影响力排行榜, 连续8年入选爱思唯尔《中国高被引学者榜单》，并第一作者著有一本国际专著（英国牛津科学出版社1998年出版）及一本中文专著（科学出版社，2010年第一版），编辑了约10本国际科技论文集。获授权国内外专利约60项。