微型光谱仪在原位、体外甚至体内传感应用中展现出广阔的前景。然而，光谱仪尺寸缩减所带来的显著的性能限制使其难以满足光谱学的严苛需求（高分辨率、高精度以及超宽工作带宽）。业内普遍认为，微型光谱仪更适用于特征峰的粗略识别。近年来，基于压缩感知算法的计算重建型光谱仪的出现，为微型光谱仪的研发开辟了新道路。图1总结了近红外光谱需求与计算重建型光谱仪性能之间的对比。
图1 近红外光谱需求与计算重建型光谱仪性能的对比
据麦姆斯咨询报道，近日，英国剑桥大学（University of Cambridge）与光引科技（GlitterinTech Limited）的联合研究团队提出了一种支持近红外（NIR）光谱测量的集成式计算重建型光谱仪，并展示了带有辅助电子元件的全封装传感器。该传感器工作带宽超过520 nm，分辨率低于8 pm，带宽与分辨率之比超过65000，创下历史新高。研究表明，该传感器可对不同类型的固体物质进行分类，并对水溶液和有机溶液的浓度进行测量，精度接近100%。值得注意的是，该传感器在检测葡萄糖溶液浓度时的检测限已达到商用台式光谱仪水平，低至0.1%（即100 mg/dL）。这项研究成果以“Chip-scale sensor for spectroscopic metrology”为题发表在Nature Communications期刊上。
计算重建型光谱仪需要足够数量的采样通道，这些通道具有快速且随机的光谱扰动（也称为光谱斑点）。为了满足该需求，研究人员设计了一种基于级联色散工程微环谐振器（MRR）的超宽带单总线计算重建型光谱仪，其设计如图2a所示。该器件采用氮化硅（SiN）平台，因其材料色散特性比绝缘体上硅（SOI）低超过四倍而显著受益。图2b展示了垂直跑道式的微环谐振器结构图。该微环谐振器设计的关键在于在尽可能宽的波长范围内保持损耗与耦合效率之间的平衡。该器件的模拟结果如图2d至图2f，表明该设计能高效地产生具有数千个时间通道的光谱采样矩阵。
图2 计算重建型光谱仪的设计和模拟
图3a展示了全封装的厘米级近红外光谱传感器，其中集成了SiN重建型光谱仪芯片和带有微控制器单元（MCU）的高速驱动板。计算重建型光谱仪芯片设计集成了六个级联微环谐振器，这是在器件性能、系统占用空间/复杂性以及采样通道消耗之间优化平衡后的结果。
图3 近红外光谱传感器图像和通道光谱响应测量结果
为了表征计算重建型光谱仪的性能，研究人员首先测试了各种离散入射光谱，包括不同波长的单峰、双峰和三峰激光信号。如图4a至图4c所示，该计算重建型光谱仪能够精确地解析所有峰的强度和位置，相对误差极低，范围在0.04到0.11之间。值得注意的是，双峰信号的光谱间距逐渐缩小至8 pm，根据瑞利准则可标记其分辨率。
图4 计算重建型光谱仪的性能表征
最后，研究人员使用全封装的近红外光谱传感器进行了材料分类和溶液浓度监测等带宽要求苛刻的光谱应用，满足了典型的工业要求。（1）研究人员测试了化工生产中常见的十种塑料以及来自不同地区的十种咖啡。图5a和图5b分别显示了塑料和咖啡两种代表性样品的实测反射率曲线。图5c和图5d分别展示了塑料和咖啡样品的分类结果，准确率均为100%。（2）研究人员测试了乙醇水溶液、乙二醇（EG）在异丙醇（ISO）的溶液以及葡萄糖水溶液，相关测试结果如图6所示。
图5 各类固体物质的分类结果
图6 各类溶液的浓度测试结果
综上所述，这项研究开发了一种计算重建型近红外光谱传感器，实现了工作带宽超过520 nm、分辨率低于8 pm的卓越性能。研究中还探索了该芯片级光谱测量传感器的多种光谱应用，结果表明其精度接近100%。溶液浓度测试证明了该器件的检测限低至0.1%（即100 mg/dL），这一性能与商用台式光谱仪相当。这项研究成果标志着微型光谱仪在光谱计量方面的重大进展。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54708-x
