混沌系統(tǒng)對(duì)初始條件具有高度敏感性，其行為表現(xiàn)出顯著的隨機(jī)性與不可預(yù)測(cè)性，因此在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中往往被盡量避免。然而，在某些特定場(chǎng)景下，混沌所固有的隨機(jī)特性反而可被轉(zhuǎn)化為一種優(yōu)勢(shì)資源，用于支持特定目標(biāo)的高效實(shí)現(xiàn)，例如在計(jì)算光譜儀中的應(yīng)用。計(jì)算光譜儀基于預(yù)校準(zhǔn)的光譜響應(yīng)矩陣，對(duì)經(jīng)過(guò)編碼的入射光譜進(jìn)行重建，其性能強(qiáng)烈依賴于響應(yīng)矩陣的質(zhì)量，尤其是高度的隨機(jī)性和去相關(guān)性。基于這一需求，提出了一種具有潛力的創(chuàng)新思路：通過(guò)人為構(gòu)建光學(xué)混沌系統(tǒng)，生成具備高度隨機(jī)性和去相關(guān)性的響應(yīng)矩陣，從而實(shí)現(xiàn)高性能的緊湊型計(jì)算光譜儀。

近期，上海交通大學(xué)集成電路學(xué)院（信息與電子工程學(xué)院）郭旭涵教授、蘇翼凱教授課題組提出了一種基于單一混沌微盤的微型計(jì)算光譜儀。該光譜儀利用變形微盤中的光學(xué)混沌效應(yīng)，成功構(gòu)建出高度去相關(guān)的光譜響應(yīng)矩陣。在僅為20×22 μm²的超小尺寸和16.5 mW的低功耗條件下，該光譜儀實(shí)現(xiàn)了10 pm的超高光譜分辨率與100 nm的寬可測(cè)帶寬，在帶寬、分辨率與尺寸之間的經(jīng)典三重權(quán)衡問(wèn)題上取得了重要突破。該成果以“Miniaturized Chaos-assisted Spectrometer”為題發(fā)表于《Light: Science & Applications》期刊上。

研究背景

在便攜式應(yīng)用迅速發(fā)展的背景下，對(duì)小型化光譜傳感技術(shù)的需求日益迫切。傳統(tǒng)臺(tái)式光譜儀受限于體積龐大的光學(xué)元件與復(fù)雜的光路結(jié)構(gòu)，難以在小型化、高分辨率與大帶寬之間實(shí)現(xiàn)良好平衡。近年來(lái)，作為一種高度集成化的光譜傳感方案，微型計(jì)算光譜儀受到了廣泛關(guān)注。該類光譜儀通過(guò)微型光譜編碼器件構(gòu)建光譜響應(yīng)矩陣，并基于壓縮感知等算法，對(duì)編碼后的入射光信號(hào)進(jìn)行逆向求解，從而重建入射光譜。重構(gòu)過(guò)程的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性強(qiáng)烈依賴于光譜響應(yīng)矩陣的隨機(jī)性程度。為提升傳感性能，現(xiàn)有計(jì)算光譜儀通常需通過(guò)級(jí)聯(lián)復(fù)雜光學(xué)結(jié)構(gòu)以延長(zhǎng)光路，從而增強(qiáng)響應(yīng)的隨機(jī)性。然而，這類策略往往導(dǎo)致器件物理尺寸較大，難以從根本上突破帶寬、分辨率與尺寸之間的三重權(quán)衡困境。

創(chuàng)新成果

針對(duì)這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種基于單個(gè)混沌微盤的光譜儀方案。該方案通過(guò)將圓形微盤（圖1.a）變形為帕斯卡蝸線形狀（圖1.b），將光學(xué)混沌現(xiàn)象引入微盤，使腔體內(nèi)的光線傳輸行為對(duì)波長(zhǎng)敏感。由于復(fù)雜的混合相空間特性，混沌微盤能夠突破圓形微盤中諧振模式需要嚴(yán)格滿足的相位匹配條件，可以支持更多的諧振模式。圖1.c，d展示了圓形微盤支持的少量回音壁模式和混沌微盤支持的豐富多樣的諧振模式。憑借這種方式，混沌微盤可以僅使用單個(gè)微型的變形腔體就能夠?qū)崿F(xiàn)高度去相關(guān)的光譜響應(yīng)輸出。

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圖1. a 圓形微盤示意圖及其強(qiáng)周期性的自相關(guān)函數(shù)；b 混沌微盤示意圖及其弱周期性的自相關(guān)函數(shù)；c 圓形微盤的龐加萊截面圖、支持的諧振模式及其對(duì)應(yīng)的射線動(dòng)力學(xué)軌跡；d 混沌微盤的龐加萊截面圖、支持的諧振模式及其對(duì)應(yīng)的射線動(dòng)力學(xué)軌跡

研究團(tuán)隊(duì)提供了一種混沌微盤的設(shè)計(jì)范式，通過(guò)射線動(dòng)力學(xué)模式繪制龐加萊截面圖，高效而準(zhǔn)確地分析了不同變形微盤的光學(xué)混沌特性（圖2.a）。在理論模型的輔助下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量計(jì)算的周期性和插入損耗高效地確定了最佳的混沌微盤變形參數(shù)（圖2.b）。通過(guò)線性掃描外部加熱功率，在最高僅為16.5 mW的低功耗水平下生成了具有高度去相關(guān)的準(zhǔn)隨機(jī)光譜響應(yīng)矩陣（圖2.c）。通過(guò)自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)評(píng)估了響應(yīng)矩陣的列正交性和行相關(guān)性，分別達(dá)到~0.210和~0.08的低水平（圖2d，e）。

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圖2. a 不同變形參數(shù)α的微腔形狀和對(duì)應(yīng)的龐加萊截面圖；b 周期性和插入損耗關(guān)于變形參數(shù)α的函數(shù)；c 周期性和插入損耗關(guān)于變形參數(shù)α的函數(shù)線性掃描加熱功率下的響應(yīng)矩陣；d 矩陣自相關(guān)函數(shù)；e 矩陣互相關(guān)函數(shù)

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行雙峰光譜、三峰光譜和連續(xù)光譜的光譜重建實(shí)驗(yàn)，與商用光譜儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行相對(duì)誤差分析，驗(yàn)證了100 nm的寬可測(cè)帶寬和10 pm的超高光譜分辨率，并且證明了該光譜儀具有對(duì)連續(xù)光譜的高精度重建能力（圖3a，b，c）。圖3d展示了該光譜儀與其他片上光譜儀的性能對(duì)比，在20×22μm²的緊湊器件尺寸下，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)紀(jì)錄的單位尺寸下帶寬分辨率比。

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圖3. a 分辨率性能；b 三峰光譜重建結(jié)果；c 連續(xù)光譜重建結(jié)果；d 性能對(duì)比

總結(jié)與展望

微型計(jì)算光譜儀發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于如何在進(jìn)一步縮小器件尺寸的同時(shí)，仍維持較高的綜合性能。本研究提出的混沌輔助型微型光譜儀通過(guò)單一混沌微盤結(jié)構(gòu)，借助邊界形變有效激發(fā)光學(xué)混沌行為，顯著抑制了響應(yīng)矩陣的周期性，從而在極小尺寸與低功耗條件下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的光譜性能。另外，通過(guò)優(yōu)化耦合策略，該架構(gòu)的工作帶寬還可得到有效擴(kuò)展。此外，由于所采用的理論模型對(duì)器件材料和光學(xué)波段無(wú)特定依賴，該方案具備良好的跨材料移植性與波段適應(yīng)性，僅需調(diào)整混沌微盤尺寸即可適用于不同波段的傳感需求。該混沌輔助光譜儀成功突破了傳統(tǒng)光譜儀中帶寬、分辨率與尺寸之間的三重制約，其計(jì)算復(fù)雜度較低，所需資源可由現(xiàn)有消費(fèi)級(jí)移動(dòng)設(shè)備承載，為開(kāi)發(fā)低功耗、低成本的便攜式光譜傳感與集成化高光譜成像系統(tǒng)提供了新的技術(shù)路徑。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01984-x