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2025

Nature Photonics | 芯片级可调谐扭角莫尔传感器

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导读

由哈佛大学、斯坦福大学、加州大学伯克利分校联合研发的全新芯片级“可调谐扭角莫尔光子晶体传感器”，首次将光谱与偏振信息在一个微型光学芯片中同时解码，实现真正意义上的“超光谱+超偏振”多维感知，为未来光子计算、智能成像、量子信息处理等应用打开全新可能。该工作近期以“An adaptive moiré sensor for spectro-polarimetric hyperimaging”为题发表在Nature Photonics。

这项工作由唐皓凝博士（哈佛大学应用物理系）和楼倍成博士（斯坦福大学应用物理系）共同领衔完成，联合光学与纳米光子学领域多位顶尖科学家合作，包括哈佛大学Eric Mazur教授、斯坦福大学范汕洄教授，加州伯克利大学曹原教授、哈佛大学Amir Yacoby教授、和哈佛大学Evelyn 胡教授，以及来自哈佛大学的杜凡，高光启，张明杰、倪雪琪同学。

研究背景：解码“光”中的全部信息

在自然界和信息世界中，光携带着极为丰富的信息——不仅有颜色（波长），还有偏振状态，甚至包含相位、方向、拓扑结构等隐藏的多维度信息。

这些信息被广泛应用于生物成像、材料分析、光通信、激光雷达、量子信息等领域。

然而，要同时获取这些光学自由度，传统方法往往需要一整套庞杂的光学系统，包括：

光谱仪（分析波长）
偏振器和波片（分析偏振）
干涉仪（分析相位）

这不仅设备庞大、难以集成，还存在测量速度慢、分辨率受限、成本高等问题。

研究挑战：能否用一个芯片，同时感知光的“颜色+偏振”？

近年来，随着计算光学与纳米光子技术的发展，人们开始思考：

能不能通过一个高度集成的小型化结构，实现多维光学信息的联合感知与智能解码？

关键难题在于：

如何构建一个能动态响应不同光学信息的可调平台？
如何实现光谱和偏振的同时识别而非逐项扫描？
如何在芯片尺度上完成这些功能，实现真正的可集成、可扩展？

解决方案：MEMS可调莫尔光子晶体传感器（MEMS-TMPhC）

本研究提出并实现了一种芯片级、可动态调节、可同时感知光谱与偏振的新型传感器 ——MEMS集成扭角莫尔光子晶体传感器（MEMS-TMPhC）。

创新结构设计：通过两个扭转光子晶体层产生莫尔超晶格，实现对光的结构调控响应
MEMS动态驱动：利用电控微机电系统调节扭角与层间距，实现可重构光学响应
智能计算感知：配合自适应压缩感知算法，同时解码光谱和偏振状态
兼容CMOS制程：支持芯片化制造与大规模部署

这一方案不仅展示了计算光学与结构光子学的完美结合，也为未来智能光子传感器、集成光谱仪、偏振成像芯片、量子探测器等应用奠定了基础。

设计思路

本研究的核心目标是开发一种小型化、可动态调节、具备多自由度的光学传感器，可用于同时获取光的频率（光谱）与偏振（偏振态）信息，并具备可重构性与芯片级集成能力。

图1：多维信息的计算重建。(a)一个物体中的像素点包含多维光学信息，包括波长（λ）、偏振椭圆率（φ）和偏振方位角（χ）。这些信息可以通过两个步骤进行重建：首先，利用集成MEMS的扭角莫尔光子晶体传感器，通过调节多个结构自由度（DoF1、DoF2、DoF3）来测量该像素点的光强;然后，通过构建的测量矩阵反推目标的多维信息。(b)双层扭角莫尔光子晶体的自由度包括层间耦合距离（h）、扭转角度（α）以及探测角度（θ）

图源：Nature Photonics

关键理念

扭角莫尔光子晶体（TMPhC）结构

通过两个相同周期的光子晶体（PhC）结构相对扭转，形成莫尔超晶格，从而引发一系列可调控的光学效应，如带隙调节、奇点控、光谱调制等。

微机电系统（MEMS）集成

在芯片中引入MEMS执行器，对扭角和层间距进行电驱动调控，从而实现对莫尔结构的实时调节，使传感器具备多维响应能力。

结构自由度 = 光学信息维度

每一个自由度（例如：扭角 α、间距 h、探测角 θ）都会改变莫尔晶体对入射光的响应，因此我们可以利用这些自由度来“扫描”不同光学信息维度（如波长、偏振、相位等），并通过算法反解出原始信号。

图2：微机电可调谐扭角莫尔光子晶体传感器。（a）右图：MEMS-TMPhC 传感器的主要组成结构示意图。PhC 表示光子晶体，TSV 表示硅通孔（Through Silicon Vias），BOX 表示缓冲氧化层（Buffered Oxide）。左图：MEMS-TMPhC 传感器的截面结构示意图（比例不按实际绘制），展示了通过单片工艺集成的两个光子晶体层。其中一个光子晶体层可以通过MEMS执行器实现垂直移动和旋转调节。（b） MEMS-TMPhC 传感器的显微镜图像。（c）传感器中央区域的扫描电子显微镜（SEM）图像，插图显示其中一个集成的光子晶体结构。(d) 不同旋转角度下观察到的莫尔图样显微图像。（e）左图：垂直方向MEMS驱动器结构;右图：该驱动器的测量与拟合驱动曲线。阴影区域表示出现莫尔图样的操作范围。（f）左图：旋转方向MEMS驱动器结构;右图：该驱动器的测量与拟合驱动曲线。阴影区域表示可实现的旋转角度范围

图源：Nature Photonics

工作原理

莫尔散射调制光响应

当两个光子晶体的层间距h 小于波长λ，且具有一定扭角α时，两个晶格之间会产生强烈的层间耦合效应，并形成莫尔超晶格，引发莫尔散射。

这种散射会在透射光中引入可调谐的光谱响应和偏振选择性，而这些响应会随着h、α、探测角θ的变化而动态变化。

图3：可调谐的光学响应 (a) 不同垂直间距 h 下测得的能带结构。图中白色虚线表示对应计算结果的能带边界。随着层间间距 h 的变化，能带边界在频率上发生明显偏移。每个能带结构图上方展示了模态耦合改变时的模态分布图。(b) 不同扭角 α 下测得的能带结构。随着扭角增加，莫尔矢量长度变大（如图上方所示），莫尔能带与非莫尔能带之间的间隙 Gm 也随之增大。（c）不同参数组合 α、h 与波矢 k 下的透射光谱测量结果。阴影区域表示多次测量中透射强度的平均标准差。蓝色圆点为实验测得的数据，蓝色曲线为拟合结果。图中还标注了不同四分之一波片角度下对应的偏振态信息

图源：Nature Photonics

MEMS 多自由度动态调节

器件设计集成了两种MEMS 驱动模块：

垂直驱动器（Vertical actuator）：调节两个光子晶体之间的层间距 hhh，通过电容驱动原理实现微米级精细调节。
旋转驱动器（Rotary actuator）：调节晶体之间的相对扭角 α\alphaα，采用三相微步步进电机结构，实现角度分辨率可达 1/6° 的高精度控制。

探测角θ可通过外部光学路径设计实现改变，用于进一步扩展探测维度。

计算重建与自适应感知

研究通过多组响应函数的预先校准，在测量阶段记录透射光强，并使用压缩感知+正则化优化算法重建原始光谱与偏振态。

此外，系统还可运行自适应感知算法，根据已采集信息动态选择下一个最优测量配置，提高感知效率与速度。

总之，这是一种“用结构去测光”的新范式——通过MEMS可调的莫尔结构，实现对光的多维信息编码，再反解出光谱与偏振，打破传统“一个器件测一个信息”的限制。

图4：光学感知原理与实验结果。（a）光信号S（λ）的频谱成分未知，经过传感器后，在一组已知配置γ=γ₁， γ₂ ， γ₃...下产生响应函数R_γ（λ）。通过测得在各个配置下的透射强度M_γ，可使用计算算法重建原始信号Ŝ（λ）。(b) 不同输入光谱的真实曲线与重建曲线对比，覆盖整个工作频率范围，验证重建精度。（c）在不同测量配置数量下，使用自适应（adaptive）与非自适应（non-adaptive）策略进行光谱重建的误差对比。数据以图（b）中四种光谱信号为基础，展示平均误差与标准差（mean ± SD）。(d) 同时重建信号的频率与偏振状态。频率信息以颜色表示，偏振信息对应庞加莱球上的位置。右侧与下方面板展示输入信号（实心点）与重建信号（交叉点）的对比结果，适用于频率与偏振均未知的情况。(e) 在不同配置数量下，自适应与非自适应策略对偏振态（ϕ 与 χ）的重建误差对比。数据基于81组测量，展示平均误差与标准差（mean ± SD）

图源：Nature Photonics

图5：超光谱与超偏振成像演示。(a) 使用普通单色相机对目标进行成像，获得的是单一波长下的亮度分布图像。（b）在光路中加入 MEMS-TMPhC 传感器，并通过测量数据重建彩色图像，可实现同一目标的超光谱成像。重建波段范围为 1476 nm 至 1599 nm。(c) 使用单色相机对具有双折射性质的样品成像时，仅能获取强度信息，无法识别不同偏振状态。（d）插入 MEMS-TMPhC 传感器后，可对该目标实现超偏振成像，从而准确重建其空间偏振分布。重建的偏振状态范围为 0° 至 180°。所有图像中比例尺长度均为 2 毫米

图源：Nature Photonics

大规模制造、低成本部署

MEMS-TMPhC传感器采用CMOS兼容工艺，可在6英寸晶圆上高良率制造（>70%），具备量产能力，未来可广泛应用于：