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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 前天 08:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
引言
/ p* h5 w- F- e' m& ]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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# A1 B1 M1 E# c  c: \# g3 V2 @: W! B5 m: a+ z
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& ]3 `: g/ m5 y. G4 o/ z系统架构与工作原理
  U3 ^2 Y2 x6 U, E& \4 Z8 x7 b( \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。
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8 ]/ e! B* G8 W5 X) \/ L
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。
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% o- w& Q. D+ Y% U' K1 R2 i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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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。8 \% q% ^- c9 i
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26 b1 e9 G4 I$ v/ [" N
去噪机制与性能提升
7 z0 h8 M4 t" l; ECAED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。4 V. S( @4 d8 O( ^6 h

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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。7 P9 J: a4 g" L! c3 E" J
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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。7 k2 s% M2 J* A: Z! `- r7 Y

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# M* w7 M4 V5 ]2 r3 m3 O4 @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。
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1 d3 r, Z* d7 K3 l% d9 l$ F% ~# x2 {3
5 d, E$ J, H$ Q2 ?+ v性能对比与发展方向
1 P! |7 ]! Z6 x! F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。+ x! H& l- a2 {3 f: ?4 S

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" a+ [1 |! W( u# `3 \& k/ Z: N
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。" B. J; I2 p3 j3 e+ D
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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。" l5 m  b' {  f; R1 l

8 z# G" n# i6 b4
/ h* `$ s! R4 |9 X4 @4 V结论
  V8 z/ T# G: {9 V6 Z2 n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。7 I2 d% F8 W9 a  ?, |" k
1 \; T4 o/ p& ~4 e+ t
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。9 S' s, [; [! u- {7 L

+ ^7 M3 J0 t9 P4 _. A/ P参考文献
( B1 p& b. I& ]5 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.
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6 @  g* q; |& O* M% H转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!
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6 }7 S  ?% s5 M# o+ N- p3 W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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