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基于去噪自编码器的高分辨率MEMS片上光谱仪

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发表于 昨天 08:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言2 X' J% Y; r' K( J' u1 N" h
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]。
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系统架构与工作原理' e) i, u5 ?- F
系统由两个主要部分组成:MEMS计算光谱仪(MECS)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。$ Q, J8 N, B# ~% {1 z

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+ w0 k; H. d) @( E3 n. z) S
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。
& K" k& v4 m9 v; }' w, w  L/ I$ I" m5 t
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。
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6 d* W5 H; P; a8 ]
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。5 |, Y' {5 V$ \
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去噪机制与性能提升$ v% q) i, M/ ~5 I5 k- _
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。* r& r% @' _* u7 g7 `8 W

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6 n, v# }2 G3 q! F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。& a- R( J0 }* R* ]9 B  x, a* q" t% X  y

2 f( w4 ?$ x& j0 @7 N1 C5 X/ S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。
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# a# t& m% `, D) |6 c- z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 g# Y1 Y9 Z' ^' h

9 B8 Q. e; X" l& p39 I6 s' c. Y& l- X) H9 O. q+ _0 ?; a! b
性能对比与发展方向
9 h- w+ ]. A, m# I. f6 D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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! N5 n7 o* {1 w( _/ B
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。  a  [3 G3 S+ V7 J

% d; r3 @7 S, d, O5 K+ x0 S: V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。, o: k8 t6 F: _

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+ o3 n/ f2 u" T; i4 p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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6 {6 {) d9 Q3 T5 y6 v4
3 ^- o6 J$ k2 n6 G结论0 ~- C, b# s3 X) G
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。, C/ A. J. U" ]* ]3 k; y9 I3 y1 y
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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。
+ \& S& n. F* o- O4 A, X
- ^- ~) e; ^: a3 ?$ y参考文献" \- J/ I" U; I" a& `+ ?
[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.  J: q& ~3 U* f* B; d$ f$ S
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