【产通社，2月24日讯】加州大学戴维斯分校的研究人员将一台实验室级光谱仪缩小到沙粒大小，打造出一台可集成到便携设备的微型芯片光谱仪。该解决方案解决了测量每种颜色强度时物理路径较长所带来的瓶颈。使用棱镜或光栅，以及较长的物理光程，使光谱仪本质上体积庞大。

“我们想把这台光谱仪的能量从实验室里拿出来，放进你的口袋里，”博士后科学家、赛义夫·伊斯兰实验室的博士后科学家阿哈桑·阿哈迈德说，伊斯兰是电气与计算机工程系教授兼系主任，也是该论文的第一作者。

在当前的工作中，该装置没有物理上区分每种颜色，而是使用16个不同的硅探测器，每个探测器都设计成对入射光的反应略有不同。这类似于给少数几个专用传感器混合饮品，每个传感器取样饮料的不同方面。破译原始配方的关键在于发明的第二部分：人工智能。

这一创新的核心在于技术突破。首先，研究人员设计了标准硅光电二极管的表面，采用了专门的光子捕获表面纹理。硅通常能有效感知可见光，但在近红外光的感应方面表现较差，而近红外光在许多应用中至关重要。光子捕获表面迫使近红外光在薄硅层内散射，而非直接穿透。这极大地增加了硅吸收光的可能性，使整个芯片在宽广的光谱范围内都极为敏感。

该微芯片利用光子捕获表面纳米结构和人工智能，将硅的光谱范围扩展至近红外，模拟光谱仪的能力。由加州大学戴维斯分校提供。
除了颜色检测外，设计还采用高速传感器，具备固有的超高速光子寿命测量能力。这种时间精度使设备能够捕捉传统仪器无法察觉的短暂光物质相互作用。该微芯片利用光子捕获表面纳米结构和人工智能，将硅的光谱范围扩展到近红外，模拟光谱仪的能力。

其次，芯片采用强大且全连接的神经网络。由于16个独特探测器只捕捉编码的噪声信号，人工智能通过数千个样本训练，学习探测器原始输出与原始纯光谱之间复杂且隐藏的关系。人工智能解决了这一“反向问题”，以高精度（约8纳米分辨率）重建光谱。这种计算方法完全消除了对笨重光学元件的需求。

该系统占地面积最小为0.4mm2，灵敏度高，抗噪能力强。该AI增强芯片即使在存在显著电干扰的情况下也能保持信号清晰度，这在便携低成本电子产品中是一大挑战。通过将硅的传感范围扩展到近红外波段，同时通过机器学习实现高性能，该技术将实现集成的实时高光谱传感，应用于从先进医疗诊断到环境遥感等多个领域。

项目首席研究员伊斯兰说：“我们正在为一个你的手表或手机不仅仅是拍照的未来铺路，还分析你周围世界的化学反应。”

这项研究发表在《Advanced Photonics》（www.doi.org/10.1117/1.AP.8.1.016008）。查询进一步信息，请访问官方网站https://www.photonics.com/Articles/On-Chip-Spectrometer-Applies-AI-to/p5/a71927。（Robin Zhang，产通数造）