全球首款，芯片“玉衡”出世！

本文由半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)縱橫（ID：ICVIEWS）綜合

清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制出亞埃米級(jí)快照光譜成像芯片“玉衡”。

清華大學(xué)電子工程系方璐教授團(tuán)隊(duì)在智能光子領(lǐng)域取得重大突破，首創(chuàng)了可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)，研制了高分辨光譜成像芯片“玉衡”，實(shí)現(xiàn)了亞埃米級(jí)光譜分辨率，千萬(wàn)像素級(jí)空間分辨率的快照光譜成像，標(biāo)志著我國(guó)智能光子技術(shù)在高精度成像測(cè)量領(lǐng)域邁上新臺(tái)階。相關(guān)研究成果以《集成鈮酸鋰光子學(xué)亞埃米級(jí)快照光譜成像》（“Integrated lithium niobate photonics for sub-angstrom snapshot spectroscopy”）為題在線發(fā)表于學(xué)術(shù)期刊《自然》。

光譜記錄著光在不同波長(zhǎng)下的強(qiáng)度變化，揭示了物質(zhì)與光的相互作用，是解析成分、結(jié)構(gòu)與特性的“光學(xué)密鑰”。然而，傳統(tǒng)光譜測(cè)量受限于分光采集與固化結(jié)構(gòu)，光譜分辨率與成像通量之間長(zhǎng)期存在固有矛盾，成為光譜成像領(lǐng)域久未破解的科學(xué)難題。

研究團(tuán)隊(duì)基于智能光子原理，創(chuàng)新提出可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)，將傳統(tǒng)物理分光限制轉(zhuǎn)化為光子調(diào)制與計(jì)算重建過(guò)程。通過(guò)挖掘隨機(jī)干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構(gòu)特性，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)高維光譜調(diào)制與高通量解調(diào)的協(xié)同計(jì)算。

可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)

并由此研制出亞埃米級(jí)高分辨光譜成像芯片——“玉衡”。無(wú)需在波長(zhǎng)維度犧牲通量，每個(gè)像素均可獲取完整光譜信息，快照光譜成像的分辨能力（R=12,000）提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)，突破了光譜分辨率與成像通量無(wú)法兼得的，長(zhǎng)期瓶頸。

與傳統(tǒng)體型龐大、采集緩慢的高分辨光譜裝置不同，“玉衡”芯片僅約2厘米×2厘米×0.5厘米，卻可在400—1000納米的寬光譜范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)亞埃米級(jí)光譜分辨率、千萬(wàn)像素級(jí)空間分辨率的快照光譜成像，能在單次快照中同步獲取全光譜與全空間信息，并具備88 Hz 的快照光譜成像能力，為高分辨光譜成像開(kāi)辟了新路徑。

方璐表示，“玉衡”攻克了光譜成像系統(tǒng)的分辨率、效率與集成度難題，可廣泛應(yīng)用于機(jī)器智能、機(jī)載遙感、天文觀測(cè)等領(lǐng)域，以天文觀測(cè)為例，“玉衡”的快照式成像每秒可獲取近萬(wàn)顆恒星的完整光譜，有望將銀河系千億顆恒星的光譜巡天周期從數(shù)千年縮短至十年以內(nèi)，憑借微型化設(shè)計(jì)，它還可搭載于衛(wèi)星，有望在數(shù)年內(nèi)繪制出人類(lèi)前所未有的宇宙光譜圖景。

據(jù)悉，目前課題組正基于原理樣片，加速工程化樣機(jī)與系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，并將在10.4米口徑加那利大型望遠(yuǎn)鏡（GTC）上進(jìn)行測(cè)試應(yīng)用。

小彩蛋！為何這枚芯片會(huì)取名叫“玉衡”呢？據(jù)清華大學(xué)解釋稱(chēng)，玉衡之名：以光校衡天地。《尚書(shū)·舜典》有言“在璿璣玉衡，以齊七政”，古人以“玉衡”校定日月星辰的運(yùn)行秩序。而今，科學(xué)家以同名之芯，校衡光的頻譜與宇宙的奧秘。

“玉衡”是融合人工智能、集成光子學(xué)與材料科學(xué)的突破。未來(lái)，隨著高分辨光譜獲取范式的持續(xù)變革，以“玉衡”為代表的計(jì)算光譜成像技術(shù)有望以更小的體積、更高的分辨力、更廣的應(yīng)用邊界，為材料科學(xué)、地球科學(xué)、天文科學(xué)開(kāi)拓新的光譜天地。

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