光谱传感是一种功能强大的多用途分析技术，在燃烧诊断、流动显示、环境监测、天文学、生物医学等领域得到了广泛应用。通过精确测量物质的光谱特征，光谱传感能够深入解析物质的成分、结构和物理化学性质，为科学研究和工业生产提供关键支持。作为现代科技与工业发展的核心工具，光谱传感技术不仅推动了基础科学的突破性进展，还在能源、医疗、环境等重要领域发挥着不可或缺的作用。近年来，基于可调谐光电（光谱）响应的计算重构光谱学在光谱传感器及光谱分析仪器微型化方面展现出了显著优势。与传统的光谱仪（如基于光栅的光谱仪）相比，采用可调谐光电（光谱）响应的计算重构光谱仪可以极大地简化感知端的器件复杂度，并能将光谱仪的体积缩小至微米级别，这一系列特点引起了国内外学术界的广泛关注。另一方面，自然界中的光谱特征表现出多样性，为了实现稳定且可靠的光谱探测性能，计算重构光谱仪的响应矩阵通常期望达到良态甚至尽可能在数值上满秩。然而，在微型光谱仪中，外部量子效率往往与输入的波长（或光子能量）无关，同时器件的可调性受到诸多因素（如材料的带隙、器件的损伤阈值及其线性动态范围）的制约。这些因素导致光谱响应矩阵存在显著的秩亏现象，从而严重限制了计算重构光谱传感在实际应用中的性能和可行性。
据麦姆斯咨询报道，为了解决上述问题，由上海交通大学蔡伟伟教授课题组、芬兰阿尔托大学孙志培教授课题组、剑桥大学Tawfique Hasan教授及浙江大学杨宗银教授等组成的国际联合研究团队，展示了一种基于电可调光电界面的微型光谱传感系统。相关成果于2025年1月22日以题为“Miniaturized spectral sensing with a tunable optoelectronic interface”发表在《Science Advances》期刊上。来自上海交通大学的蔡伟伟教授及阿尔托大学的崔效齐博士及孙志培院士为本文的共同通讯作者，阿尔托大学的崔效齐博士、Fedor Nigmatulin博士和上海交通大学的王雷博士为本文的共同第一作者。
基于电可调光电界面的光谱传感
该光谱传感系统可从各种输入光谱中产生可区分的光响应，从而能够以5μm × 5μm的器件占用空间实现准确的光谱识别。研究团队分别展示了峰值精度∼0.19nm（自由空间）和∼2.45nm（片上）的窄带光谱识别。此外，研究团队进一步实现了用于材料识别的宽带复杂光谱传感，成功展示了对有机染料、金属、半导体以及电介质等多种材料的精准区分。
研究团队首先展示了针对窄带光谱的光谱感知功能。相比之前的研究工作，该光谱传感器件具有两个可调谐维度（偏压和栅压），光响应映射显示了额外的自由度，并表示为四维矩阵（波长-响应度-偏压-栅压）。基于四维到一维的光谱传感范式，以及专门开发的电信号处理算法，未知光谱的峰值位置可以被准确识别，最小标准偏差仅为~0.01nm。值得一提的是，研究团队在仅5μm × 5μm的器件占用空间下实现了上述性能，这是迄今为止最小的光谱传感器件之一，并且由于其配置简单，可以通过优化先进工艺（例如高分辨率光刻和材料刻蚀技术）将其进一步小型化至几百纳米。同时，研究团队还将该器件与Si3N4光波导集成在一起，证明了其在片上光谱传感应用的可行性。
对窄带光谱的光谱感知
此外，研究团队以面向材料识别的光谱应用为例，成功展示了该器件具备复杂宽带光谱的感知能力。首先，对包括有机染料、金属、半导体和介电材料在内的材料的编码光谱信号进行学习；随后，使用相同的方法和器件测试上述材料组中的未知材料；最后，再结合计算重构算法，可以直接得到未知材料的识别结果。进一步，研究团队还展示了该器件具有出色的光谱区分能力，成功识别了荧光谱峰峰值差异仅2.4nm的有机染料。
用于材料识别的复杂光谱传感
上述结果表明，复杂的光谱感知与识别技术能够节省传统光谱仪工具中必需的精确光谱重建步骤，从而简化了操作流程。因此，这种紧凑的光电界面能够通过复杂的光谱输入产生可区分的光响应，可以通过消除笨重的色散元件（例如光栅）显着缩小传统光谱仪工具的体积，并为计算重建光谱仪提供经济高效的解决方案。与此同时，研究团队认为，通过增加用于编码光谱的电信号维度，并根据特定应用场景进行定向优化，可以有效推动基于可调谐光电响应的微型光谱传感器的实际应用和落地。
最后，研究团队还对光谱传感器件的探测极限（被定义为电信号之间最小的可区分间隔）进行了系统分析和讨论。研究表明，检测所得的电信号噪声水平及光响应曲线之间的不相关性都会影响光谱传感器件的探测极限。
微型化光谱传感器的物理极限
论文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6886
作者简介：
蔡伟伟，上海交通大学教授，于2016年入选国家海外高层次人才引进计划。他长期从事多维光场重构及实验燃烧学/流体力学的交叉研究，以第一/通信作者在Science、Nature Photonics、Science Advances、Progress in Energy and Combustion Science等期刊发表论文百余篇，连续5年入选斯坦福全球前2%顶尖科学家榜单。他获得多项重要学术奖励和荣誉称号，包括欧盟玛丽居里学者、国际分析仪器奖Masao Horiba Award提名奖、德国埃尔朗根高等光学研究院青年科学家奖、中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者奖等。
孙志培，芬兰阿尔托大学教授，研究方向为纳米光子学、超快激光器、非线性光学以及电磁学。他荣获欧洲居里学者、芬兰科学院研究员、欧洲量子旗舰计划、芬兰科学院量子技术卓越研究中心和欧洲研究理事会高级基金等项目支持。
