可编程的超快纳米光子光谱像素矩阵

日前，浙江大学光电学院何赛灵研究团队在《Nature Nanotechnology》期刊在线发表了题为“Durable and programmable ultrafast nanophotonic matrix of spectral pixels ”（ 耐用且可编程的超快纳米光子光谱像素矩阵）的研究论文。该工作提出了一种可编程光谱像素矩阵，其由像素化微加热器上的相变材料二氧化钒腔组成，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光谱探测两种新型应用。

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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。基于纳米光子技术的超透镜、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。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。理想的可调光谱芯片平台应同时提供大的调制能力、固态、快速切换、长寿命、高可扩展性和像素级可编程性。另外，基于可调光谱芯片的高光谱探测及成像芯片也有重要应用，例如在生物医学应用中可应用于内窥镜及微小型的床边/POCT即时检验。

基于此，何赛灵研究团队提出了一种单像素可调控的光子矩阵，同时满足高速、长寿命耐用性和多个像素可编程性等要求。该可调光子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。

团队首先对二氧化钒微腔结构的相变性能进行了详细表征（图1）。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全色域颜色。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（相比过去10个左右的中间态）。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探测提供了良好的基础。此外，该器件的开关速率达到了70kHz（远超之前报道的1 kHz），同时在超过一百万次切换之后没有明显损坏，颜色没有发生明显变化。

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图1.氧化钒微腔的相变性能

特别的，该器件能对入射光谱进行探测。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，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，利用时空调制特性，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光谱复原效果（图2）。

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图2.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

本研究首次提出了一个同时满足高速、长寿命和多像素可编程性等要求的光谱矩阵，可以对入射光颜色和光谱进行调制。器件的调制频率大于70kHz，能够在百万次切换后无退化，且具有超过60个稳定的中间态调制。通过引入微加热器阵列，展示了基于该阵列像素的微型显示和计算光谱探测功能，这使得许多具有定制要求的可编程芯片系统成为可能，如生物医学传感和高光谱成像、固态光学开关、反射式彩色动态电子纸等等。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, 监测脓毒症病人的微循环血氧供应等。

本文第一作者为浙大光电学院博士后郭庭彪和博士研究生张智，通讯作者为何赛灵教授；此外，浙大博士生林子舰、硕士生田佳涵、金毅副教授、Julian Evans副教授，以及台州恩泽医疗中心台州医院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。（来源：浙江大学光电学院）

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-024-01756-5