AI增强光子捕获型硅基片上光谱仪，显著提升近红外波段探测灵敏度
2026-01-23 15:51:50   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

高光谱成像（HSI）作为一项广泛应用的技术，已成为环境监测、精准农业、生物医学诊断及工业质量控制等领域的变革性工具。为满足便携式高光谱成像系统的应用需求，光谱仪正朝着微型化方向发展，重点在于实现芯片级集成的同时保持高性能（如图1）。传统的光谱仪采用简单的空间-光谱映射原理，需依靠长光程实现不同波长的光分离，导致其体积庞大（如图2a）。研究证实，光子捕获表面纹理（PTST）可显著增强硅光电二极管（PD）的光吸收能力，尤其在近红外波段效果突出，部分场景下其性能甚至优于III-V族光电探测器。

图1 光学光谱仪微型化发展趋势

图2 光谱仪工作原理

据麦姆斯咨询报道，近日，美国加州大学戴维斯分校（University of California Davis）的研究团队提出了一种紧凑型抗噪声的计算重建式硅基片上光谱仪，可在近红外（NIR，至1100 nm）波段实现高分辨率高光谱成像。该器件单片集成了搭载增强光子捕获表面纹理（PTST）的硅光电二极管，显著提升了低吸收率近红外波段的响应度。研究人员利用全连接神经网络（fully connected neural network），仅使用16个特殊设计的光电探测器，即可实现高精度光谱重建，在640至1100 nm宽光谱范围内均方根误差（RSME）小于0.05、光谱分辨率达约8 nm。

该光谱仪系统性能超越传统的光谱仪，即使增加了40 dB的探测器噪声，信噪比（SNR）仍能保持30 dB以上，并将探测波长拓展至1100 nm；而传统的硅基光谱仪由于探测器效率和抗噪声性能不足，工作波段通常难以突破950 nm。该人工智能（AI）增强型硅基光谱仪芯片尺寸仅为0.4 mm²，动态范围达50 dB，具有57 ps的超快时间响应和大于7000倍的高光电增益，特别适用于生物医学成像、环境监测和遥感领域的便携式、实时、低光照应用。该研究成果为在CMOS兼容平台上实现全集成高性能高光谱传感技术开辟了道路。相关研究成果以“AI-augmented photon-trapping spectrometer-on-a-chip on silicon platform with extended near-infrared sensitivity”为题发表于Advanced Photonics期刊。

光子捕获表面纹理（PTST）光谱仪的光谱调谐机制完全依赖于集成在光电二极管顶部的PTST尺寸结构变化。尽管PTST技术能够在宽光谱范围内增强光吸收，但这种增强效果在不同波长上并不均匀。研究人员正是利用这一特性，设计了独特的PTST尺寸，使得在同一芯片上的硅光电二极管上能够产生差异化的光谱响应。

该PTST光谱仪由多达32个独特的硅光电二极管构成。每个光电二极管均制备于垂直雪崩光电二极管（APD）堆叠结构之上，采用P⁺−π−P−N⁺掺杂结构，旨在实现低击穿电压和高增益的双重优势。每个APD均集成独特尺寸的PTST结构，从而具备特定波长的光响应特性（如图3a）。在光学显微镜白光照射下，PTST增强型APD的独特光响应以虹彩效应形式清晰呈现，其微观结构差异通过SEM图像可清晰辨识（如图3b）。基于结构差异所形成的光学带隙，每个PTST均可从整个白光光谱中选择性反射特定波长。研究人员利用全连接神经网络实现了PTST光谱仪的光谱重建，相关重建过程如图4所示。

图3 光子捕获型光电二极管的光谱特异性

图4 用于光谱重建的神经网络模型

为了通过实验验证PTST光谱仪的性能，研究人员使用超连续谱激光器与光声滤波器耦合，构建了光谱带宽小于4 nm的窄带激光光源。图5展示了搭载8、16和32个光电二极管的PTST光谱仪在640 ~ 1100 nm波段对窄带激光峰值进行光谱重建的结果，并与传统的硅基光谱仪的实测光谱进行了对比。

图5 PTST光谱仪对窄带激光峰值的光谱重建结果对比

噪声是影响光谱仪性能的关键因素，在低光照应用中尤为突出。因此，研究人员分析测试了PTST光谱仪在环境条件及探测器电流叠加高斯白噪声条件下的抗噪性能，相关结果如图6所示。研究人员对该片上光谱仪的各项性能指标进行了全面表征，相关结果如图7所示。

图6 PTST光谱仪的抗噪性能

图7 片上光谱仪的各项性能指标

最后，为了验证了该片上光谱仪在高光谱成像领域的实际应用能力，研究人员利用开源的蝴蝶高光谱数据集进行了测试验证，相关结果如图8所示。

图8 蝴蝶高光谱成像应用验证

综上所述，这项研究展示了一种与CMOS工艺完全兼容的紧凑型重建式硅基片上光谱仪，并集成了独特设计的PTST硅光电探测器。通过精心设计PTST结构，增强了探测器在特定波长的响应度，使不同探测器呈现独特的光谱特征。这是同类产品中首款单片CMOS集成硅基光谱仪，在640 nm至1100 nm的宽波段内同时实现高于95%的光谱精度和8 nm的光谱分辨率。相较于传统的硅基光谱仪，PTST架构的设计显著提高了探测灵敏度和抗噪声性能，在更长波长下其信噪比仍能保持30 dB以上。

此外，AI增强型计算重建光谱仪还兼具优异的光电二极管特性：约8V低击穿电压、57 ps超快响应时间及大于7000倍的高内部增益，使其成为荧光寿命成像、实时手术导航和生物医学诊断等领域的理想选择。AI增强型集成技术不仅提高了光谱重建精度，更实现了强大的抗噪声性能，使其性能突破传统硅光电探测器的物理极限。总之，这款硅基片上光谱仪为紧凑、低成本、高性能的高光谱成像系统提供了极具吸引力的解决方案，在环境监测、遥感、精准农业及消费电子等领域的便携式和现场部署平台中具有巨大的集成应用潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1117/1.AP.8.1.016008

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