控制中红外光的微型芯片有望改进气体和热量检测

红外摄像头可用于捕捉我们肉眼无法看到的有用信息，例如管道泄漏的气体、大气中的化学物质或建筑物散发的热量。但要想精准地感知红外光，仍需要昂贵且笨重的系统。

现在，麻省理工学院的研究人员做出了一种基于芯片的光学器件，可以动态控制入射红外光，起到可调透镜的作用，为红外摄像头收集更多信息。这个透镜上的每个微小像素都能独立控制红外光，从而改变焦距，帮助摄像头无需移动部件就能检测不同信号。

关于该系统的介绍发表在《自然·通讯》的一篇论文上。研究人员还介绍了他们如何利用半导体芯片工厂里大多常规的制造工艺，搭建了一个实验室规模的演示系统，这说明该方法有望在工业规模上应用。

这项技术有望让红外摄像头变得小巧且可调，用于更灵活的热成像、化学传感、污染监测，甚至新型光学计算。

“比如我们在研究太空的时候，它能提供更多信息，或者用于环保方面，比如监测大气中的特定化合物，”论文第一作者、25届博士科斯明-康斯坦丁·波佩斯库解释说。“热成像是另一个应用，还可以想到军事上的应用，比如现在用的夜视仪。基本上，很多有机分子都会吸收中红外波段的光，就可以用这个系统来检测它们。”

基于芯片的透镜

近年来，研究人员开发出通过在透明材料上蚀刻微小精密图案来动态控制光线的方法，这些材料被称为“超表面”，有望实现更紧凑、可编程的相机和其他先进光学设备。

胡教授在麻省理工学院的研究团队研究了一类加热后能从固态变为液态的超表面。这种相变可以用来控制材料与光的相互作用方式。2021年，胡及其合作者创造了一种微型透镜，可以通过这种相变来调节焦距，使其聚焦到不同深度。

该设备运行稳定，但它只能在整个材料上一次性调整焦点，这也是大多数超表面的工作方式。在他们新的研究中，研究人员希望在这一方法的基础上，实现对材料上每个微观像素的独立光调控。

“大多数想做单像素调谐的主动超表面，都得给每个像素接上电线，怎么布线就成了一个大难题，”胡解释说。“目前最好的办法就是用一堆电线做一维像素控制。”

研究人员还想搭建一个能利用中红外波长的光的系统，这种光人眼看不到，但可以用来检测热信号以及甲烷、丙烷等分子。中红外检测设备已经用来检测气体泄漏、研究地球大气层，还用于多种国防和航空航天领域。

为了构建他们的系统，研究人员采用了一种常用于显示器的技术，即将两层排列整齐的铜线以相互垂直的方式叠放。导线下方是一层掺杂硅，它在导线的交叉点产生热量，这层硅位于相变材料上方。

硅产生的热量用于在晶态和非晶态结构之间切换材料的每个像素，从而改变材料对入射红外光的响应方式。硅还包含一个二极管选择器，有助于防止杂散电流泄漏到相邻像素。

“我们做了一些计算，表明这种架构让我们有可能扩展到数百万像素，而不会出现杂散电流问题，”Hu说。“关键创新是这种交叉开关架构，它提供了一种可扩展的方式来实现超表面的像素级调控。

“我们没有发明这种架构——它在显示器中已有应用——但这是第一次有人将其用于主动相变超表面，来证明你可以做到像素级控制。人们长期以来一直在努力实现二维像素级控制，这是首次有人真正做到了这一点。”

研究人员利用了MIT.nano的设备，并与一家半导体芯片制造工厂合作，最终搭建出一个二维系统，包含一个6×6的超表面像素阵列。他们对系统进行了测试，发现它可以稳定地开启和关闭。

“我们发现这种网状架构非常稳定，”波佩斯库说。“你不会希望这些材料切换一次就坏掉。你希望它能反复切换很多次：可能是数万次或更多。”

规模扩展

研究人员表示，将他们系统设计的一部分整合到现有的半导体制造中，应有助于它走出研究原型阶段。

“当你想要扩大规模时，你需要一套具有一致工艺流程的方案，这就是为什么芯片代工制造变得如此重要，”胡说道。“与拥有明确工艺控制的半导体代工厂合作非常有优势。它还让你能把各个组件纳入到同一个高效流程中。”

研究人员正致力于为他们的阵列添加更多像素，并开发更稳定的系统版本，以便它能够开始捕捉更多的红外信息。

“在很多情况下，当你拍摄图像时，你对要找的东西已经有预先了解，”胡说道。“你可能在寻找黑暗房间中的人，或者图像中的某些特定特征，比如一棵树，而这些预先掌握的信息就很有用，因为现在你可以调整这个系统，让它专门突出那些特征。”

胡还指出，研究人员已利用超表面来模拟驱动人工智能系统的计算神经网络，不过他同时指出，相关应用距离真正落地可能还有相当距离。

“这有望实现更有效的光学计算，即利用超表面来编码神经网络中的网络权重，”胡解释道。“当光穿过材料时，它会与超表面发生相互作用，信息会以某种特定方式被编码，从而使你能够推断出计算结果。研究人员已经利用这种方法来仿真非常复杂的神经网络。”