日前，浙江大學光電學院何賽靈研究團隊在《Nature Nanotechnology》期刊在線發表了題為“Durable and programmable ultrafast nanophotonic matrix of spectral pixels ”( 耐用且可編程的超快納米光子光譜像素矩陣)的研究論文。該工作提出了一種可編程光譜像素矩陣，其由像素化微加熱器上的相變材料二氧化釩腔組成，單個像素采用微加熱器驅動相變，可以實現逐點像素控制。通過優化設計，團隊在提高調制速度、增加調制深度、延長器件壽命等方面取得了新的突破，并展示了結構色顯示及光譜探測兩種新型應用。

近年來，得益于各種微納加工技術的不斷進步和平面光學的興起，光子器件正變得越來越小型化和集成化。基于納米光子技術的超透鏡、超表面偏振器件以及超表面光譜儀等創新產品備受矚目，它們以其卓越的性能和小巧的體積，為光學領域帶來了革命性的變化。然而，大多數光子器件一旦制造完成，其功能便固定且單一，難以適應多變的應用需求。為了解決這一問題，研究者們提出了可調光學器件的概念，旨在通過調節器件特性以適應不同的使用場景，從而大幅提升光學器件的功能性和實用性。在這場光學器件的技術革命中，如何平衡各種技術的優缺點，選擇最適合的方案以滿足特定應用的需求，是研究者們面臨的挑戰。理想的可調光譜芯片平臺應同時提供大的調制能力、固態、快速切換、長壽命、高可擴展性和像素級可編程性。另外，基于可調光譜芯片的高光譜探測及成像芯片也有重要應用，例如在生物醫學應用中可應用于內窺鏡及微小型的床邊/POCT即時檢驗。

基于此，何賽靈研究團隊提出了一種單像素可調控的光子矩陣，同時滿足高速、長壽命耐用性和多個像素可編程性等要求。該可調光子像素單元基于二氧化釩相變材料，單個像素采用微加熱器驅動相變，可以實現逐點像素控制。通過優化設計，團隊在提高調制速度、增加調制深度、延長器件壽命等方面取得了新的突破，并展示了結構色顯示及計算光譜探測兩種新型應用。

團隊首先對二氧化釩微腔結構的相變性能進行了詳細表征(圖1)。該結構二氧化釩微腔僅由銀基底及二氧化釩層構成，通過改變二氧化釩的厚度可以獲得全色域顏色。除了相變前后兩個狀態之外，可以通過改變溫度或者電信號實現超過60個穩定的中間態(相比過去10個左右的中間態)。顏色和光譜的巨大調制能力以及眾多穩定的中間態都為后續實現顯示器件及光譜復原探測提供了良好的基礎。此外，該器件的開關速率達到了70kHz(遠超之前報道的1 kHz)，同時在超過一百萬次切換之后沒有明顯損壞，顏色沒有發生明顯變化。

圖1.氧化釩微腔的相變性能

特別的，該器件能對入射光譜進行探測。團隊采用了四個不同厚度的二氧化釩微腔作為一個超單元，在晶態和非晶態之外，通過溫度/電壓的控制可以實現超過60個穩定的中間態，利用時空調制特性，拓寬了光譜通道。基于此，研究團隊設計了一個計算光譜儀原型，可以按照需求工作在多點快照探測或單點可調探測模式，在整個可見光波段實現了良好的光譜復原效果(圖2)。

圖2.通過時空調制進行光譜探測，a為芯片光學顯微鏡實物圖;b-c為原理示意圖，d為4個濾光片諸多中間態反射譜;e-i為光譜復原結果

本研究首次提出了一個同時滿足高速、長壽命和多像素可編程性等要求的光譜矩陣，可以對入射光顏色和光譜進行調制。器件的調制頻率大于70kHz，能夠在百萬次切換后無退化，且具有超過60個穩定的中間態調制。通過引入微加熱器陣列，展示了基于該陣列像素的微型顯示和計算光譜探測功能，這使得許多具有定制要求的可編程芯片系統成為可能，如生物醫學傳感和高光譜成像、固態光學開關、反射式彩色動態電子紙等等。如在生物醫學應用中，高光譜探測及成像芯片可應用于內窺鏡及微小型的床邊/POCT即時檢驗, 監測膿毒癥病人的微循環血氧供應等。

本文第一作者為浙大光電學院博士后郭庭彪和博士研究生張智，通訊作者為何賽靈教授;此外，浙大博士生林子艦、碩士生田佳涵、金毅副教授、Julian Evans副教授，以及臺州恩澤醫療中心臺州醫院徐穎鶴教授也在其中作出了重要貢獻。該研究主要受國家重點研發計劃、浙江省尖兵領雁計劃、寧波市科技計劃項目、上海張江科學城專項發展基金、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費等項目的資助。

審核編輯 黃宇