麻省理工学院：基于标准芯片制造技术生产廉价微型光谱仪

图为在通过传统的芯片制造工艺制造之后，一组微型光谱仪芯片排列在托盘上。图片来源：Felice Frankel

光谱测量仪是可以区分不同波长的光并用于测定从实验室材料到遥远恒星等一切物质的化学成分的大型设备。这种仪器的价格高达六位数，通常存在于大学或工业实验室以及天文观察机构中。

麻省理工学院的研究人员的一项新进展可以生产出同样精确而功能强大的微型光谱仪，并且可以使用标准的芯片制造工艺进行大规模生产。这种方法可以为光谱分析仪开辟新的用途，而以前在无论从物理角度还是经济角度都是不可能的。

今天，麻省理工学院材料科学与工程系副教授Juejun Hu、博士生Derek Kita及研究助理Brando Miranda和其他五人发表在Nature Communications杂志的一篇论文中描述了该项发明。

研究人员表示，与目前的仪器相比，这种在芯片上制作光谱仪的新方法可在性能、尺寸、重量和功耗方面有很大的优势。

其他研究小组也曾尝试制造基于芯片的光谱仪，但存在一个严峻挑战：基于光波长的传播能力所使用的任何传统光学系统都高度依赖于设备的尺寸。“如果你把设备尺寸缩小，其性能也会下降，”副教授Hu说。

另一种使用类型的光谱仪称为傅立叶变换数学方法。但是这些设备仍同样受到尺寸的限制 - 长光路对于获得高质量的检测结果至关重要。由于高性能设备需要长且可调的光路长度，因此小型化光谱分析仪不如传统台式光谱仪。

与之不同的是，“我们使用了不同的技术，”Kita说。他们的系统基于光学开关，光路可以在不同路径之间瞬间翻转光束，且光路可以具有不同的长度。这些全电子光学开关消除了对当前版本中所需的可移动镜的需求，并且可以很容易地使用标准芯片制造技术制造。

Kita说，“消除活动部件使得设备在整体坚固性方面有很大优势。你可以将它从桌面上扔下来而不会造成任何损坏。”

以两次幂的增量使光路路径长度增长，这些长度可以以不同的方式组合形成指数数量的离散长度，从而使得光谱分辨率随着光学开关的数量呈指数增加。它的原理与之前相同，只是将少量标准砝码组合在一起，即可通过平衡秤精确测量各种权重数据。

作为概念验证，研究人员签约了一项半导体行业的标准制造服务，以建造一种具有6个顺序开关的装置，能够产生64个光谱通道，且具有内置的处理能力来控制装置并处理其输出的设备。这种设备可以通过扩展10个交换机，以达到1024分辨率的通道。他们将该设备设计成一个即插即用的独立单元，可轻松与现有光网络集成系统。

研究小组还使用了新的智能机械技术，可以从有限的通道中重建光谱通道。 Kita说，他们开发的方法可以全面检测宽光谱峰值和窄光谱峰值。他们能够证明其性能确实与计算结果匹配，从而为各种应用程序提供了广泛的潜在进一步发展的可能。

研究人员表示，这种光谱仪可以应用于传感设备、材料分析系统、医学成像中的光学相干层析成像以及监测光学网络的性能等方面得到应用。目前大多数数字网络都依赖于光学网络。 Kita表示，一些对这种微芯片光谱仪的潜在用途感兴趣的公司已经与团队取得了联系，这些公司承诺在尺寸、重量和功耗方面具有巨大的优势。Hu 补充说，人们还对应用于工业过程的实时监测以及石油和天然气等行业的环境传感有兴趣。