据麦姆斯咨询获悉，近日，上海大学微电子学院MEMS芯片团队在MEMS芯片级光谱仪研究上取得重要进展，成果被国际知名综合性期刊《Nature Communications》接收发表，题为“Denoising-autoencoder-facilitated MEMS computational spectrometer with enhanced resolution on a silicon photonic chip”。上海大学微电子学院2021级硕士研究生周静为第一作者，MEMS芯片团队马逸明副教授与新加坡国立大学李正国教授为共同通讯作者，上海大学为第一完成单位。
微机电系统（MEMS）因其尺寸小、集成度高、成本低、功耗低等优点，被广泛应用于实现多种多样的微型传感与检测器件。光谱仪是重要的分析仪器，在材料表征、环境监测、医疗诊断等方面有着广泛的应用。传统台式光谱仪比较笨重、昂贵且高耗能，利用MEMS技术，有望开发紧凑、低成本和低功耗的芯片级光谱仪，满足物联网、穿戴电子、芯片实验室等新兴领域对大规模量产、便携和现场实时检测的迫切需求。
在本工作中，研究团队提出了一种基于静电MEMS调制和自编码器去噪机制协同作用的芯片级计算重构型光谱仪。通过集成静电MEMS驱动器对波导耦合器型干涉结构进行动态变形，实现了对干涉图谱的超低功耗时域调制，相比传统的热光调制方案功耗降低了三个数量级。与此同时，针对困扰光谱重构精度的噪声问题，所提出的卷积自编码器去噪机制和噪声导向训练方法能够对不同的噪声水平和各种各样的光谱均实现优异的噪声抑制效果，将光谱重构分辨率提升至接近无噪声理想水平。本工作为实现精确、宽谱和节能的光谱分析提供了一种经济高效的芯片级解决方案。
本工作所提出的MEMS芯片级光谱仪方案示意图
MEMS芯片级光谱仪及光谱重建
上海大学马逸明副教授近年来围绕利用MEMS技术实现新型芯片级光谱仪开展了一系列工作。此前提出了一种新的傅里叶变换光谱仪方案，利用静电叉指梳驱动器实现对波导耦合器在面内方向的动态变形，一方面突破了光刻精度对耦合间隙的限制，从而提高了光谱重构分辨率；另一方面避免了埋氧层厚度对驱动行程的限制，使得可以通过简单地缩放结构参数将该光谱仪方案直接移植到任意波段。相应研究成果于今年8月发表于国际知名光学期刊《Photonics Research》，题为“High-performance and wavelength-transplantable on-chip Fourier transform spectrometer using MEMS in-plane reconfiguration”。
MEMS芯片级傅里叶变换型光谱仪方案
上述工作得到了国家自然科学基金、上海市智能感知芯片技术协同创新中心揭榜挂帅项目、上海市生物信息交叉芯片与系统创新团队等的支持。
相关论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-54704-1
https://doi.org/10.1364/PRJ.521439
