上海交大科研团队在微型计算光谱仪研究取得重要进展

混沌系统对初始条件具有高度敏感性，其行为表现出显著的随机性与不可预测性，因此在大多数实际应用中往往被尽量避免。然而，在某些特定场景下，混沌所固有的随机特性反而可被转化为一种优势资源，用于支持特定目标的高效实现，例如在计算光谱仪中的应用。计算光谱仪基于预校准的光谱响应矩阵，对经过编码的入射光谱进行重建，其性能强烈依赖于响应矩阵的质量，尤其是高度的随机性和去相关性。基于这一需求，提出了一种具有潜力的创新思路：通过人为构建光学混沌系统，生成具备高度随机性和去相关性的响应矩阵，从而实现高性能的紧凑型计算光谱仪。

近期，上海交通大学集成电路学院（信息与电子工程学院）郭旭涵教授、苏翼凯教授课题组提出了一种基于单一混沌微盘的微型计算光谱仪。该光谱仪利用变形微盘中的光学混沌效应，成功构建出高度去相关的光谱响应矩阵。在仅为20×22 μm²的超小尺寸和16.5 mW的低功耗条件下，该光谱仪实现了10 pm的超高光谱分辨率与100 nm的宽可测带宽，在带宽、分辨率与尺寸之间的经典三重权衡问题上取得了重要突破。该成果以“Miniaturized Chaos-assisted Spectrometer”为题发表于《Light: Science & Applications》期刊上。

研究背景

在便携式应用迅速发展的背景下，对小型化光谱传感技术的需求日益迫切。传统台式光谱仪受限于体积庞大的光学元件与复杂的光路结构，难以在小型化、高分辨率与大带宽之间实现良好平衡。近年来，作为一种高度集成化的光谱传感方案，微型计算光谱仪受到了广泛关注。该类光谱仪通过微型光谱编码器件构建光谱响应矩阵，并基于压缩感知等算法，对编码后的入射光信号进行逆向求解，从而重建入射光谱。重构过程的准确性与稳定性强烈依赖于光谱响应矩阵的随机性程度。为提升传感性能，现有计算光谱仪通常需通过级联复杂光学结构以延长光路，从而增强响应的随机性。然而，这类策略往往导致器件物理尺寸较大，难以从根本上突破带宽、分辨率与尺寸之间的三重权衡困境。

创新成果

针对这一挑战，研究团队创新性地提出了一种基于单个混沌微盘的光谱仪方案。该方案通过将圆形微盘（图1.a）变形为帕斯卡蜗线形状（图1.b），将光学混沌现象引入微盘，使腔体内的光线传输行为对波长敏感。由于复杂的混合相空间特性，混沌微盘能够突破圆形微盘中谐振模式需要严格满足的相位匹配条件，可以支持更多的谐振模式。图1.c，d展示了圆形微盘支持的少量回音壁模式和混沌微盘支持的丰富多样的谐振模式。凭借这种方式，混沌微盘可以仅使用单个微型的变形腔体就能够实现高度去相关的光谱响应输出。

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图1. a 圆形微盘示意图及其强周期性的自相关函数；b 混沌微盘示意图及其弱周期性的自相关函数；c 圆形微盘的庞加莱截面图、支持的谐振模式及其对应的射线动力学轨迹；d 混沌微盘的庞加莱截面图、支持的谐振模式及其对应的射线动力学轨迹

研究团队提供了一种混沌微盘的设计范式，通过射线动力学模式绘制庞加莱截面图，高效而准确地分析了不同变形微盘的光学混沌特性（图2.a）。在理论模型的辅助下，通过实验测量计算的周期性和插入损耗高效地确定了最佳的混沌微盘变形参数（图2.b）。通过线性扫描外部加热功率，在最高仅为16.5 mW的低功耗水平下生成了具有高度去相关的准随机光谱响应矩阵（图2.c）。通过自相关函数和互相关函数评估了响应矩阵的列正交性和行相关性，分别达到~0.210和~0.08的低水平（图2d，e）。

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图2. a 不同变形参数α的微腔形状和对应的庞加莱截面图；b 周期性和插入损耗关于变形参数α的函数；c 周期性和插入损耗关于变形参数α的函数线性扫描加热功率下的响应矩阵；d 矩阵自相关函数；e 矩阵互相关函数

研究团队进行双峰光谱、三峰光谱和连续光谱的光谱重建实验，与商用光谱仪的测量结果进行相对误差分析，验证了100 nm的宽可测带宽和10 pm的超高光谱分辨率，并且证明了该光谱仪具有对连续光谱的高精度重建能力（图3a，b，c）。图3d展示了该光谱仪与其他片上光谱仪的性能对比，在20×22μm²的紧凑器件尺寸下，实现了创纪录的单位尺寸下带宽分辨率比。

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图3. a 分辨率性能；b 三峰光谱重建结果；c 连续光谱重建结果；d 性能对比

总结与展望

微型计算光谱仪发展的一个关键挑战在于如何在进一步缩小器件尺寸的同时，仍维持较高的综合性能。本研究提出的混沌辅助型微型光谱仪通过单一混沌微盘结构，借助边界形变有效激发光学混沌行为，显著抑制了响应矩阵的周期性，从而在极小尺寸与低功耗条件下实现了优异的光谱性能。另外，通过优化耦合策略，该架构的工作带宽还可得到有效扩展。此外，由于所采用的理论模型对器件材料和光学波段无特定依赖，该方案具备良好的跨材料移植性与波段适应性，仅需调整混沌微盘尺寸即可适用于不同波段的传感需求。该混沌辅助光谱仪成功突破了传统光谱仪中带宽、分辨率与尺寸之间的三重制约，其计算复杂度较低，所需资源可由现有消费级移动设备承载，为开发低功耗、低成本的便携式光谱传感与集成化高光谱成像系统提供了新的技术路径。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01984-x