基于去噪自编码器的高分辨率MEMS片上光谱仪

逍遥设计自动化

引言
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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$ G; k: T( q, l  Q系统架构与工作原理
$ L2 w' W; }- p" E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。
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& Y/ Q+ Q" x- \! A- I& D) Z3 t( A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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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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, T/ ?. s2 ?; A! [$ U! w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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. h) i" c& Z; |) G% l8 Z& ?, O去噪机制与性能提升
& F7 y4 a: O+ B, ^/ wCAED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。
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8 H, q) S! V) |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。

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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! I8 @2 |7 @, }. 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。

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) M& ?9 [) N. G6 Q0 X+ ?% i/ U性能对比与发展方向
/ @2 d) e: J; @* J* w  a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。

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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+ W% R. B4 T4 f8 r# G+ s6 ]结论
1 W6 M* ^$ }0 q1 C, R0 S2 H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。

. t( Q  ?& {; D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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9 k% c# ~& ?6 F4 d7 o参考文献
[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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