如今，光谱仪已成为工业检测、化学、生物分析以及地质勘探等领域不可缺少的重要仪器。由于各种便携设备和片上集成系统发展迅速，对微型化、高性能（包括高分辨率及宽带响应等）光谱仪的需求日益迫切。

       近期，研究者将计算重构光谱技术应用于光谱仪微型化，通过预校准并根据测量数据特征，可实现基于计算重构算法的未知光谱重构。

       但是，这些基于计算重构算法的微型化光谱仪的性能还十分受限，分辨率和工作带宽通常会受到探测器数量及工作温度等条件的影响。因此，科学家于近日开发出一种新型可调范德华异质结的超微型光谱仪，尺寸仅为数微米。相关论文以《带有可调谐范德华结的小型化光谱仪》（Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction）为题发表于 Science 期刊。

       该论文由芬兰阿尔托大学（Aalto University）孙志培院士团队、上海交通大学蔡伟伟教授团队、浙江大学杨宗银教授团队、四川大学崔汉骁教授团队以及英国剑桥大学的陶菲克·哈桑（Tawfique Hasan）教授团队等合作完成。值得一提的是，这篇论文是该国际合作团队在 Science 上发表的关于微型光谱仪的第三篇论文。

       孙志培院士评论说：“该种方式相比于基于阵列探测器的光谱仪能进一步减小尺寸。另外，该方案可通过改变材料实现更宽的光谱探测范围。”

       传统的光谱仪微型化技术路径通过牺牲部分性能，利用先进微纳米加工技术将传统分光元件尽可能缩小至毫米量级，但要想进一步小型化仍然具有极大的挑战。

       为解决这项难题，研究人员利用二维材料优异的光电响应特性，以及其构成范德华异质结时丰富的可选性，制造出全新的基于计算重构算法的高性能微型光谱仪。

       该微型光谱仪拥有许多创新之处。具体来说，研究团队首次提出并实现范德华异质结光谱仪，突破了传统光谱仪尺寸极限，在微米量级单个异质结中实现了光谱探测。

       具体来讲，就是在上文提到的异质结中，通过调节栅压使波长依赖的响应度呈现明显变化。

       不仅如此，研究者还首次在微米尺度下实现 0.36 纳米的窄带光谱准确度，以及 3 纳米的复杂宽带光谱分辨率，并利用该光谱仪成功实现宏观光谱成像。

       该工作不仅为高性能光谱仪的微型化提供全新思路，也为大规模片上光子系统集成等先进技术实现了重要的基础性突破。

       孙志培院士评价说：“与传统光谱仪不同，范德华异质结光谱仪采用完全不同的技术路线。光谱仪中无需采用任何分光元件而仅由一个范德华异质结探测器构成。该探测器由几层不同的二维材料堆叠而成，因此当厚度缩小至纳米级别时，横向尺寸也仅为微米量级。”

       将范德华异质结可调光谱响应和计算重构算法结合，制造出更高性能微型光谱仪

       在本工作中，研究人员将范德华异质结可调光谱响应和计算重构算法相结合，在单一范德华异质结基础制造出高性能光谱仪。研究过程可分为学习、测试与重构三个阶段。

图 | 光谱重构算法流程图（来源：Science）

       关于计算重构算法，上海交通大学蔡伟伟教授说：“我们可以认为范德华异质结能够实现类似卷积函数的功能，而且通过改变其栅极电压可以实现不同卷积函数之间的相互切换。”

       当入射光打到异质结探测器上时，探测器就会对其光谱进行“卷积”操作。如果事先通过实验标定这些 “卷积函数”，则可以通过求解逆向问题获得入射光光谱，类似于反卷积操作。对于异质结光谱仪来说，器件和算法缺一不可，没有算法的加持，该光谱仪的功能就无法实现。

       在计算重构技术中，重构光谱的准确度和分辨率由器件光谱响应对栅极电压变化的灵敏度决定。

图 | 可调范德华异质结光谱仪原理图 （来源：Science）

       由二维材料构成的范德华异质结，在其界面处的能带对准具有极高的可调性，且载流子的层间传输特性可被栅压控制。

       对光谱仪进行表征及测试，采用石墨烯作为背栅极材料

       研究人员选择由二硫化钼（MoS2）和二硒化钨（WSe2）构成的异质结以实现所提出的光谱仪。异质结上下由六方氮化硼（h-BN）包裹进行保护，并采用石墨烯（Graphene）作为背栅极材料。

图 | 可调范德华异质结光谱仪的表征及测试（来源：Science）

       应用石墨烯能够有效提升栅极对沟道的控制能力，使该异质结表现出明显的反双极特征，从而极大扩展栅压控制下的波长依赖响应度变化范围，为实现高性能光谱重构创造可能。

       栅压依赖的光谱响应度矩阵可以进一步应用于学习与重构过程，并且在 405-845 纳米的宽光谱范围内重构，获得与商用光谱仪一致的窄带光谱及复杂的宽带光谱。

       研究人员还进一步研究了学习过程中步长与重构光谱的峰值信噪比（PSNR，peak signal-to-noise ratio）之间的关系。根据拟合数据，峰值信噪比的极大值分别达到 35.7dB （窄带光谱）和 33.6dB （复杂宽带光谱）。这表明，学习步长可进一步根据 PSNR 确定，以达到最佳准确度和分辨率。

       探求可调范德华异质结光谱仪的准确度和分辨率极限

       接下来，为探求可调范德华异质结光谱仪的准确度和分辨率极限，研究人员以 0.1 纳米的学习步长对 675-685 纳米的窄带光进行学习。随后，研究者对该波长范围内未知窄带光进行栅压依赖的光电流响应测量，并计算重构其光谱。

图 | 可调范德华异质结光谱仪的准确度和光谱分辨率测试标定结果（来源：Science）

       对比商用光谱仪的测量结果，重构光谱峰值位置平均误差为 0.36 纳米，用极小值就能达到 0.04 纳米。由此可以推断，该光谱仪的准确度与学习过程的步长属于同一数量级，并由学习步长决定。

       同时，研究人员也对不同复杂宽带光谱进行了测试。对于宽带光谱，其峰值分辨极限甚至可以达到 0.9 纳米。这些优异的性能指标表明，该异质结光谱仪以更小的尺寸在性能上超越目前最先进的微型光谱仪。

       通过空间点扫描法进行宏观光谱成像

       在接下来的过程中，研究人员通过空间点扫描法，利用该异质结光谱仪进行宏观光谱成像。期间，一束宽带白光光源通过印有阿尔托大学图案的透明基板中的某个像素后入射进异质结之中。

图 | 基于可调范德华异质结光谱仪的光谱成像（来源：Science）

       透射光通过测量异质结栅压依赖的光电流响应以及计算重构即可获得该像素的光谱信息。如此往复扫描基板上的每个像素后，其图案的高光谱照片可被准确计算重现。

       光电子集成技术和计算方法的交叉融合是一个非常有前景的方向，通过与算法的结合可以创造全新的研究范式，促进颠覆性技术被提出，打破传统技术性能瓶颈。

       目前，重构式微型光谱仪的研究思路主要还是探索不同半导体材料，实现具有不同光谱响应（卷积函数）的探测器阵列或光谱响应可调单探测器。然而，研究人员还无法对材料的光谱响应进行精确调控。“未来，通过人工智能算法我们可以逆向设计所需的材料及结构，使得光谱仪性能得到进一步提升。”杨宗银教授说。