【產(chǎn)通社，2月24日訊】加州大學(xué)戴維斯分校的研究人員將一臺(tái)實(shí)驗(yàn)室級(jí)光譜儀縮小到沙粒大小，打造出一臺(tái)可集成到便攜設(shè)備的微型芯片光譜儀。該解決方案解決了測(cè)量每種顏色強(qiáng)度時(shí)物理路徑較長(zhǎng)所帶來(lái)的瓶頸。使用棱鏡或光柵，以及較長(zhǎng)的物理光程，使光譜儀本質(zhì)上體積龐大。

“我們想把這臺(tái)光譜儀的能量從實(shí)驗(yàn)室里拿出來(lái)，放進(jìn)你的口袋里，”博士后科學(xué)家、賽義夫·伊斯蘭實(shí)驗(yàn)室的博士后科學(xué)家阿哈�！ぐ⒐~德說(shuō)，伊斯蘭是電氣與計(jì)算機(jī)工程系教授兼系主任，也是該論文的第一作者。

在當(dāng)前的工作中，該裝置沒(méi)有物理上區(qū)分每種顏色，而是使用16個(gè)不同的硅探測(cè)器，每個(gè)探測(cè)器都設(shè)計(jì)成對(duì)入射光的反應(yīng)略有不同。這類似于給少數(shù)幾個(gè)專用傳感器混合飲品，每個(gè)傳感器取樣飲料的不同方面。破譯原始配方的關(guān)鍵在于發(fā)明的第二部分：人工智能。

這一創(chuàng)新的核心在于技術(shù)突破。首先，研究人員設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)硅光電二極管的表面，采用了專門的光子捕獲表面紋理。硅通常能有效感知可見(jiàn)光，但在近紅外光的感應(yīng)方面表現(xiàn)較差，而近紅外光在許多應(yīng)用中至關(guān)重要。光子捕獲表面迫使近紅外光在薄硅層內(nèi)散射，而非直接穿透。這極大地增加了硅吸收光的可能性，使整個(gè)芯片在寬廣的光譜范圍內(nèi)都極為敏感。

該微芯片利用光子捕獲表面納米結(jié)構(gòu)和人工智能，將硅的光譜范圍擴(kuò)展至近紅外，模擬光譜儀的能力。由加州大學(xué)戴維斯分校提供。
除了顏色檢測(cè)外，設(shè)計(jì)還采用高速傳感器，具備固有的超高速光子壽命測(cè)量能力。這種時(shí)間精度使設(shè)備能夠捕捉傳統(tǒng)儀器無(wú)法察覺(jué)的短暫光物質(zhì)相互作用。該微芯片利用光子捕獲表面納米結(jié)構(gòu)和人工智能，將硅的光譜范圍擴(kuò)展到近紅外，模擬光譜儀的能力。

其次，芯片采用強(qiáng)大且全連接的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。由于16個(gè)獨(dú)特探測(cè)器只捕捉編碼的噪聲信號(hào)，人工智能通過(guò)數(shù)千個(gè)樣本訓(xùn)練，學(xué)習(xí)探測(cè)器原始輸出與原始純光譜之間復(fù)雜且隱藏的關(guān)系。人工智能解決了這一“反向問(wèn)題”，以高精度（約8納米分辨率）重建光譜。這種計(jì)算方法完全消除了對(duì)笨重光學(xué)元件的需求。

該系統(tǒng)占地面積最小為0.4mm2，靈敏度高，抗噪能力強(qiáng)。該AI增強(qiáng)芯片即使在存在顯著電干擾的情況下也能保持信號(hào)清晰度，這在便攜低成本電子產(chǎn)品中是一大挑戰(zhàn)。通過(guò)將硅的傳感范圍擴(kuò)展到近紅外波段，同時(shí)通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)高性能，該技術(shù)將實(shí)現(xiàn)集成的實(shí)時(shí)高光譜傳感，應(yīng)用于從先進(jìn)醫(yī)療診斷到環(huán)境遙感等多個(gè)領(lǐng)域。

項(xiàng)目首席研究員伊斯蘭說(shuō)：“我們正在為一個(gè)你的手表或手機(jī)不僅僅是拍照的未來(lái)鋪路，還分析你周圍世界的化學(xué)反應(yīng)。”

這項(xiàng)研究發(fā)表在《Advanced Photonics》（www.doi.org/10.1117/1.AP.8.1.016008）。查詢進(jìn)一步信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)官方網(wǎng)站https://www.photonics.com/Articles/On-Chip-Spectrometer-Applies-AI-to/p5/a71927。（Robin Zhang，產(chǎn)通數(shù)造）