|
引言
' q8 d, ?, o3 G. L! q+ g! l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]。
7 ?$ K, X+ K- [# D" A: S3 z# [
nffx3g35nsu640112512.png
. d% i8 s/ N& v: z2 t% F n
0 i0 a# ]# h. j( Y
1. m' g$ L& Y- x3 a
系统架构与工作原理 _: l5 P+ }, X& I
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。
- f- t# o" e5 W Z2 k
yezanhkrkm4640112612.png
9 C4 y" B& T& c8 C, i1 @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。
: O; D) H! P% J. _- s9 l4 B9 b+ v4 q! B* G- i. |! R) r
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。
) H! a" |( J3 H) h5 a) w, I& h b
xq2y2lohy51640112712.png
3 \8 D6 k- O9 W/ x1 m2 |! q1 |% ]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。
/ z+ q$ n- n( I% s
5 l+ A. f7 S+ T; v* ^) Q& [26 u: | a7 ~; i; I& o. O* ]( R/ ?
去噪机制与性能提升3 \/ z3 s; |7 A/ i
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。
) C/ d* w% I5 p" o3 h
qcznoafowjl640112812.png
3 @) Q' F' \. d& W0 P; h" n7 u3 t
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。
; y9 f( `) G/ @7 ]5 X
/ F9 H( ^* }: O% t6 b! I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。6 \* X+ X6 f4 i( M) A0 F2 ]
dgpdhaxcrev640112912.png
/ q. b# A% R) @ v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。0 i& a7 w m1 w) h, U. I
S w5 U2 C7 R1 Z1 }3
6 @8 m2 d [$ m% n9 X" M/ p$ \性能对比与发展方向
, a* n& B9 M& N$ v0 C# q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; y$ r5 o! {# c% l
adqstx0xu5u640113012.png
4 u- F, S7 r9 Z! W
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。4 ^) R& q1 {' B
- j9 c0 }7 s* g7 x7 }+ k; h1 [( ?
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。
" A; o! ~" D @5 t' `2 h* R1 B
0bfhdoxrbsb640113112.png
9 t3 P! O7 {! ~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。
6 ^2 d1 X( v3 U9 I2 s
/ u2 A' F/ \# I( T5 b% ^4
8 ]) K2 L6 M5 v% _" G+ y* p结论
' G$ Z9 ?) t' ^/ B1 M, T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 k, Q: E2 a( _5 B3 h1 l' F
7 b# n$ N$ X' J$ L9 [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。
/ W' p' C! u* m+ s, k) S; d
1 s! S( a; S0 } m参考文献
1 k: j, J3 J0 P[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.
/ B* @% j6 u7 JEND1 I; O5 K6 B& F n/ \ O
; e+ B$ W. L$ X" E, D: R: z
软件申请我们欢迎化合物/硅基光电子芯片的研究人员和工程师申请体验免费版PIC Studio软件。无论是研究还是商业应用,PIC Studio都可提升您的工作效能。
3 m7 h& Z& v& |( D. T点击左下角"阅读原文"马上申请0 y; C' p- E' ^" @
; f) s6 r _7 }$ F O- F5 S
欢迎转载
! P4 y4 u$ [! k; O3 ]% Z7 c( a5 c' O1 }$ t2 o( s
转载请注明出处,请勿修改内容和删除作者信息!
# i* d& L) a- e0 L; ?" k
2 d+ c; K% s3 n) ]. d+ g- G1 r: B5 E0 ]* D0 U3 w4 i
, M4 z" z+ F# ^$ n
j4rvw3wmckf640113212.gif
1 y7 F; x- u0 c) U! y( q* ]9 m! u6 c L: a @& h( b
关注我们# F( y* e/ Z* C+ e
- D+ p0 ?9 W: W% w0 i
7 C# t [9 o$ u& A' \" C7 m F
21qzzq4c3yk640113312.png
: m& v. ~2 ` x( g* M; R
| / s( r& C/ d/ h% ]) k
btdy4ir1gir640113412.png
7 v; f4 y1 _, H" |. H' i# Z
| ( C7 x$ P3 C* F5 b
dkyfwlkbbqc640113512.png
6 @, u' c5 C- y5 Z4 B |
: ~' a2 l( p1 r- E& |% p5 i! W- U. T$ Q* v
' _. \! @. X! v7 E& _' N/ u" H! E0 c+ I& X2 U
关于我们:( i3 V$ V" k9 I) R
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。. I! o) F" d" k: S6 W( h; |+ l
% S, D3 V) K. y* E9 m( b- Yhttp://www.latitudeda.com/! ]6 [0 L, P2 F$ Z% w( ~( j
(点击上方名片关注我们,发现更多精彩内容) |
|