AI增强的光子 traps 光谱仪器 on-a-chip 硅平台上实现近红外扩展灵敏度

我们提出一种紧凑型、抗噪声的重构式光谱盘片仪器，实现对扩展近红外(NIR)范围内高分辨率的高光谱成像，最高达到1100nm。该装置集成了单晶硅光电二极管，增强了光子 traps 表面纹理(PTST)，实现对低吸收NIR区的提高灵敏度。利用完全连接的神经网络，我们演示了仅用16个唯一 engineered 检测器即可实现640nm至1100nm范围内<0.05 RMSE和8nm分辨率的准确光谱重构。我们的系统在性能上超过传统光谱仪器，即使加入40dB的检测噪声，仍保持信噪比高于30dB；将功能扩展到更长的波长1100nm，而传统光谱仪器由于检测器效率低和噪声性能差，无法在950nm以上正常工作。该AI增强的硅光谱仪器具有0.4mm2的占面积、50dB的动态范围、57ps的超快时响应和>7000的高光电二极管增益，非常适用于便携式、实时、低光环境下的生物医学成像、环境监测和遥感应用。这些结果为向完全集成的高性能光谱 sensing 在CMOS兼容平台上迈进了一步。