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引言9 B, e9 d/ T9 T% a- y/ c0 P
硅基光电子技术实现了光谱仪的小型化,其中使用可调谐干涉仪的设计显示出独特优势。在各种调谐机制中,静电MEMS(微机电系统)重构因具有高调谐效率和超低功耗而脱颖而出。但是,由于MEMS器件具有微小的易受干扰组件,面临着显著的噪声挑战。本文探讨了创新的光谱仪设计,将易于制造的MEMS可重构波导耦合器与卷积自编码器去噪(CAED)机制相结合,实现了增强的光谱分辨率[1]。1 ?6 O7 p( \% o) x1 W
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: l; U% e* v/ X7 E% S系统架构与工作原理
9 X/ \( S0 m9 r6 q* ~- _系统由两个主要部分组成:MEMS计算光谱仪(MECS)和CAED机制。MECS使用悬臂可调波导耦合器,包括直波导和悬臂波导。当施加偏置电压时,悬臂波导静电下拉而直波导保持静止,产生垂直耦合间隙,从而改变对称模式和非对称模式之间的有效折射率差。2 t% ]& f. c4 f( M
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图1:概念图示,展示了(a) MECS结构及波导耦合器,(b) 未去噪的干涉图,(c) 未去噪的光谱重建,(d) CAED架构,(e) 去噪后的干涉图,(f) 去噪后的光谱重建。. ?2 g" V- x# K" S0 ?
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器件在硅绝缘体(SOI)晶圆上制造,具有0.22 μm厚的硅器件层和2 μm厚的埋氧层。两个波导宽度均为0.35 μm,用于支持单横电模式传播。耦合区域的初始间隙为200 nm,耦合长度为2030 μm。! V D& B* j8 D. [/ Z' Y2 b
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图2:MECS实现细节,显示了(a) 整体结构,(b) 波导耦合器前端,(c) 耦合区域,(d) 悬臂位移机制,(e) 模式剖面,(f) 标定矩阵,(g) 光谱自相关,(h) 互相关分析,(i-k) 性能指标。
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去噪机制与性能提升
& T6 R6 e- f% ^3 n+ `CAED机制采用卷积自编码器架构有效去除干涉图数据中的噪声。该方法不是直接训练自编码器恢复原始模式,而是学习识别和减去噪声模式,这对处理各种输入类型更加有效。0 f1 f6 F9 ]) U9 w4 Q0 ^
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图3:CAED实现,展示了(a) 面向噪声的训练方案,(b) 噪声数据集创建,(c) 自编码器架构,(d-f) CNN参数优化,(g) 训练过程中均方误差和分辨率的演变。" i* U3 F& p9 E" P, O7 B
0 i- W0 ?5 o* J通过在不同信噪比(SNR)条件下的广泛测试证明了CAED方法的有效性。在30 dB信噪比下,系统的重建分辨率从1.2 nm显著提高到0.4 nm,接近无噪声值0.3 nm。1 J" X1 b) t) m; q& F2 b9 v" g
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- y( m3 \( Q5 u图4:实验验证,显示了不同信噪比水平下的重建分辨率分布,以及各种输入类型的光谱重建结果,包括双波长、三波长、宽带和混合光谱。1 v0 N) l( J& W1 v5 o c6 u0 t0 e
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性能对比与发展方向
. t0 \- W2 @% {1 N与现有片上光谱仪相比,该设计在保持高分辨率(0.4 nm)的同时,实现了最先进的带宽性能(300 nm)。静电MEMS调谐机制确保功耗低于70 μW,比传统热调谐方法低几个数量级。
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图5:与报道的片上光谱仪的性能比较,涉及(a) 分辨率与带宽的关系,(b) 功耗与占用面积的关系。: f+ [4 ]! g- ?/ u
\, P) j$ _/ X' {) S4 T$ K0 H$ {该系统在各种输入场景下展示了稳健的性能,包括双波长、三波长、宽带和混合光谱重建。未来的改进可能涉及多级实现和MEMS执行器设计优化,以减少占用面积和降低工作电压。
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图6:多级设计研究,展示了(a) 示意结构,(b) 标定矩阵,(c-f) 不同波长间隔的重建结果。
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. \) t' ]3 \' c3 D n: s& ?结论
& h4 T7 ^5 l8 `0 s1 z. a将MEMS技术与卷积自编码器去噪相结合代表了片上光谱技术的重大进展。该系统在30 dB信噪比条件下实现了300 nm带宽、0.4 nm重建分辨率和低于70 μW的超低功耗。CAED机制有效缓解了MEMS相关的噪声问题,将分辨率从1.2 nm提高到接近无噪声值0.3 nm。1 y+ L6 ~+ ]* x+ k5 J2 e
- O- j( o7 ]; b& z7 C2 e该方法为开发高性能、节能的片上光谱仪奠定了基础,可应用于化学传感、医疗诊断和环境监测等领域。同时,所展示的CAED技术可扩展到其他受噪声影响的集成光电子器件应用中。
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$ H1 W/ @# g, X; v. P参考文献
7 a- s& I: L" ?' {& \[1] J. Zhou et al., "Denoising-autoencoder-facilitated MEMS computational spectrometer with enhanced resolution on a silicon photonic chip," Nature Communications, vol. 15, no. 10260, Dec. 2024, doi: 10.1038/s41467-024-54704-1.. p2 c2 N, M) u
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. N' f. v/ |- {* V: t+ i深圳逍遥科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家专注于半导体芯片设计自动化(EDA)的高科技软件公司。我们自主开发特色工艺芯片设计和仿真软件,提供成熟的设计解决方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分别针对光电芯片、微机电系统、超透镜的设计与仿真。我们提供特色工艺的半导体芯片集成电路版图、IP和PDK工程服务,广泛服务于光通讯、光计算、光量子通信和微纳光子器件领域的头部客户。逍遥科技与国内外晶圆代工厂及硅光/MEMS中试线合作,推动特色工艺半导体产业链发展,致力于为客户提供前沿技术与服务。
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