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傳統光譜儀在科學和工業研究中發揮著重要作用，但由于其笨重的尺寸和重量，限制了其在實驗室光學系統、汽車電子系統、工業檢測設備以及智能手機等領域的應用。因此，開發一種小型化、智能化的光譜儀成為當前研究的熱點。
上海科技大學信息科學與技術學院的陳佰樂、虞晶怡課題組成功研發出一種基于AlGaAs/GaAs漸變帶隙PN結探測器的單像素智能微型光譜儀。該光譜儀結合神經光譜場（Neural Spectral Fields, NSF）光譜重建方法，實現了高光學靈敏度、高光譜準確度和高光譜分辨率的測量。
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圖1 智能微型光譜儀
該光譜儀通過改變PN結的工作偏壓實現探測器響應截止波長動態可調。同時，研究團隊為光譜儀定制化設計了神經光譜場（Neural Spectral Fields, NSF）光譜重建方法，從測量的電流電壓曲線中提取深度特征，通過神經場（Neural Fields, NFs）重建連續光譜。
圖2 漸變帶隙PN結光譜儀的結構概述與電學性能
圖3 漸變帶隙PN結光譜儀的成像結果與陣列設計
通過這一神經光譜場重建方法，漸變帶隙PN結光譜儀實現高達0.30nm的光譜重建精度和高達10nm的光譜分辨率，且光譜范圍廣泛，涵蓋從480nm到820nm的范圍。該光譜儀由標準的III-V族半導體工藝制造，達到微米級別，具備大規模生產和集成的潛力，且與焦平面陣列（FPA）制備工藝兼容，未來可進一步實現高光譜成像。
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圖4 漸變帶隙PN結光譜儀光譜測量流程及其結果
這一研究成果為光譜儀的小型化、智能化提供了新的思路和方法，有望推動光譜技術在更多領域的應用和發展。同時，該光譜儀的制造工藝與焦平面陣列（FPA）制備工藝兼容，為未來的高光譜成像技術奠定了基礎。該智能微型光譜儀有望在環境監測、食品安全、生物醫學等領域發揮重要作用，為科學研究和工業應用提供更多可能性。
該成果已發表于《自然·通訊》（Nature Communications）。上海科技大學信息科學與技術學院的陳佰樂教授和虞晶怡教授為共同通訊作者，2020級博士生王景熠、2021級碩士生潘貝貝和2019級博士生王梓為本工作共同第一作者。本項研究器件制造得到了上海科技大學量子器件中心的支持。
論文標題：
Single-pixel p-graded-n junction spectrometers
文章鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-46066-5