日前，浙江大學(xué)光電學(xué)院何賽靈研究團(tuán)隊在《Nature Nanotechnology》期刊在線發(fā)表了題為“Durable and programmable ultrafast nanophotonic matrix of spectral pixels ”( 耐用且可編程的超快納米光子光譜像素矩陣)的研究論文。該工作提出了一種可編程光譜像素矩陣，其由像素化微加熱器上的相變材料二氧化釩腔組成，單個像素采用微加熱器驅(qū)動相變，可以實現(xiàn)逐點像素控制。通過優(yōu)化設(shè)計，團(tuán)隊在提高調(diào)制速度、增加調(diào)制深度、延長器件壽命等方面取得了新的突破，并展示了結(jié)構(gòu)色顯示及光譜探測兩種新型應(yīng)用。

近年來，得益于各種微納加工技術(shù)的不斷進(jìn)步和平面光學(xué)的興起，光子器件正變得越來越小型化和集成化。基于納米光子技術(shù)的超透鏡、超表面偏振器件以及超表面光譜儀等創(chuàng)新產(chǎn)品備受矚目，它們以其卓越的性能和小巧的體積，為光學(xué)領(lǐng)域帶來了革命性的變化。然而，大多數(shù)光子器件一旦制造完成，其功能便固定且單一，難以適應(yīng)多變的應(yīng)用需求。為了解決這一問題，研究者們提出了可調(diào)光學(xué)器件的概念，旨在通過調(diào)節(jié)器件特性以適應(yīng)不同的使用場景，從而大幅提升光學(xué)器件的功能性和實用性。在這場光學(xué)器件的技術(shù)革命中，如何平衡各種技術(shù)的優(yōu)缺點，選擇最適合的方案以滿足特定應(yīng)用的需求，是研究者們面臨的挑戰(zhàn)。理想的可調(diào)光譜芯片平臺應(yīng)同時提供大的調(diào)制能力、固態(tài)、快速切換、長壽命、高可擴(kuò)展性和像素級可編程性。另外，基于可調(diào)光譜芯片的高光譜探測及成像芯片也有重要應(yīng)用，例如在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中可應(yīng)用于內(nèi)窺鏡及微小型的床邊/POCT即時檢驗。

基于此，何賽靈研究團(tuán)隊提出了一種單像素可調(diào)控的光子矩陣，同時滿足高速、長壽命耐用性和多個像素可編程性等要求。該可調(diào)光子像素單元基于二氧化釩相變材料，單個像素采用微加熱器驅(qū)動相變，可以實現(xiàn)逐點像素控制。通過優(yōu)化設(shè)計，團(tuán)隊在提高調(diào)制速度、增加調(diào)制深度、延長器件壽命等方面取得了新的突破，并展示了結(jié)構(gòu)色顯示及計算光譜探測兩種新型應(yīng)用。

團(tuán)隊首先對二氧化釩微腔結(jié)構(gòu)的相變性能進(jìn)行了詳細(xì)表征(圖1)。該結(jié)構(gòu)二氧化釩微腔僅由銀基底及二氧化釩層構(gòu)成，通過改變二氧化釩的厚度可以獲得全色域顏色。除了相變前后兩個狀態(tài)之外，可以通過改變溫度或者電信號實現(xiàn)超過60個穩(wěn)定的中間態(tài)(相比過去10個左右的中間態(tài))。顏色和光譜的巨大調(diào)制能力以及眾多穩(wěn)定的中間態(tài)都為后續(xù)實現(xiàn)顯示器件及光譜復(fù)原探測提供了良好的基礎(chǔ)。此外，該器件的開關(guān)速率達(dá)到了70kHz(遠(yuǎn)超之前報道的1 kHz)，同時在超過一百萬次切換之后沒有明顯損壞，顏色沒有發(fā)生明顯變化。

圖1.氧化釩微腔的相變性能

特別的，該器件能對入射光譜進(jìn)行探測。團(tuán)隊采用了四個不同厚度的二氧化釩微腔作為一個超單元，在晶態(tài)和非晶態(tài)之外，通過溫度/電壓的控制可以實現(xiàn)超過60個穩(wěn)定的中間態(tài)，利用時空調(diào)制特性，拓寬了光譜通道。基于此，研究團(tuán)隊設(shè)計了一個計算光譜儀原型，可以按照需求工作在多點快照探測或單點可調(diào)探測模式，在整個可見光波段實現(xiàn)了良好的光譜復(fù)原效果(圖2)。

圖2.通過時空調(diào)制進(jìn)行光譜探測，a為芯片光學(xué)顯微鏡實物圖;b-c為原理示意圖，d為4個濾光片諸多中間態(tài)反射譜;e-i為光譜復(fù)原結(jié)果

本研究首次提出了一個同時滿足高速、長壽命和多像素可編程性等要求的光譜矩陣，可以對入射光顏色和光譜進(jìn)行調(diào)制。器件的調(diào)制頻率大于70kHz，能夠在百萬次切換后無退化，且具有超過60個穩(wěn)定的中間態(tài)調(diào)制。通過引入微加熱器陣列，展示了基于該陣列像素的微型顯示和計算光譜探測功能，這使得許多具有定制要求的可編程芯片系統(tǒng)成為可能，如生物醫(yī)學(xué)傳感和高光譜成像、固態(tài)光學(xué)開關(guān)、反射式彩色動態(tài)電子紙等等。如在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，高光譜探測及成像芯片可應(yīng)用于內(nèi)窺鏡及微小型的床邊/POCT即時檢驗, 監(jiān)測膿毒癥病人的微循環(huán)血氧供應(yīng)等。

本文第一作者為浙大光電學(xué)院博士后郭庭彪和博士研究生張智，通訊作者為何賽靈教授;此外，浙大博士生林子艦、碩士生田佳涵、金毅副教授、Julian Evans副教授，以及臺州恩澤醫(yī)療中心臺州醫(yī)院徐穎鶴教授也在其中作出了重要貢獻(xiàn)。該研究主要受國家重點研發(fā)計劃、浙江省尖兵領(lǐng)雁計劃、寧波市科技計劃項目、上海張江科學(xué)城專項發(fā)展基金、國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等項目的資助。

審核編輯 黃宇