亞光波長(zhǎng)片上硅LED可使智能手機(jī)攝像頭變?yōu)楦叻直媛曙@微鏡

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)報(bào)道，新加坡-麻省理工學(xué)院科技合作聯(lián)盟（SMART）的研究人員開(kāi)發(fā)出全球最小的LED（發(fā)光二極管），可以將現(xiàn)有智能手機(jī)的攝像頭轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻直媛曙@微鏡。這種亞光波長(zhǎng)新型LED可用于實(shí)現(xiàn)全球最小的全息顯微鏡，有望使智能手機(jī)等日常設(shè)備中的現(xiàn)有攝像頭，僅通過(guò)修改硅芯片和軟件即可轉(zhuǎn)換為顯微鏡。這項(xiàng)技術(shù)也代表著室內(nèi)農(nóng)業(yè)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)診斷的微型化向前邁出了重要一步。

（a）完整制作的12英寸晶圓，（b）芯片特寫(xiě)，（c）LED開(kāi)啟時(shí)的紅外顯微照片，（d）全息顯微鏡設(shè)置，（e）重建全息圖像特寫(xiě)與（f）實(shí)際圖像對(duì)比。

研究人員還開(kāi)發(fā)了革命性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，在該算法的支持下，上述突破能夠重建全息顯微鏡測(cè)量的物體，從而增強(qiáng)對(duì)細(xì)胞和細(xì)菌等微觀(guān)物體的觀(guān)測(cè)能力，不再需要笨重的傳統(tǒng)顯微鏡或額外的光學(xué)器件。這項(xiàng)研究還為光子學(xué)的重大進(jìn)步鋪平了道路。在此之前，構(gòu)建小于微米級(jí)的片上光源，一直是該領(lǐng)域的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。

這款新型LED的特性表征

大多數(shù)光子芯片中的光來(lái)源于芯片外光源，這導(dǎo)致整體能效較低，并從根本上限制了這些芯片的可擴(kuò)展性。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員已經(jīng)采用各種材料（例如稀土摻雜玻璃、Ge-on-Si和異質(zhì)集成III-V族材料）開(kāi)發(fā)了片上光源。盡管基于這些材料的光源在性能方面已經(jīng)顯示出發(fā)展前景，但其制造工藝在標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）平臺(tái)中的集成仍然具有挑戰(zhàn)性。

作為納米級(jí)、獨(dú)立可控光源的候選材料，硅已經(jīng)顯示出潛力，但是由于間接帶隙，硅基光源的量子效率較低，這種缺陷加上可用材料和制造工具的限制，阻礙了其在CMOS中實(shí)現(xiàn)小型原生硅基光源。

在最近發(fā)表在Nature Communications期刊上的一篇題為“A sub-wavelength Si LED integrated in a CMOS platform”的論文中，SMART研究人員介紹了他們開(kāi)發(fā)的已有報(bào)道最小型化的硅LED光源，其光強(qiáng)可比肩發(fā)射面積大得多的最先進(jìn)硅基光源。SMART研究人員還取得了另一項(xiàng)相關(guān)突破，他們?cè)诳怯贠ptica期刊上的一篇題為“Simultaneous spectral recovery and CMOS micro-LED holography with an untrained deep neural network”的論文中，展示了他們構(gòu)建的一種新的、未經(jīng)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)架構(gòu)，能夠從全息顯微鏡重建圖像。

數(shù)字同軸全息術(shù)的設(shè)置及成像結(jié)果

SMART研究人員開(kāi)發(fā)的新型LED是一種CMOS集成亞光波長(zhǎng)級(jí)LED，在室溫下表現(xiàn)了出高空間強(qiáng)度（102 ± 48 mW/cm2），在已有文獻(xiàn)報(bào)道的所有硅基光源中具有最小的發(fā)射面積（0.09 ± 0.04 μm2）。為了展示其潛在的實(shí)際應(yīng)用，研究人員將這種LED集成到了一種無(wú)需透鏡或針孔的同軸厘米級(jí)全硅全息顯微鏡中（所謂的無(wú)透鏡全息技術(shù)）。

利用該新型LED的全息顯微鏡和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像重建的過(guò)程示意圖

無(wú)透鏡全息技術(shù)中的一個(gè)常見(jiàn)障礙是成像物體的計(jì)算重建。傳統(tǒng)的重建方法需要詳細(xì)了解實(shí)驗(yàn)裝置才能進(jìn)行精確的重建，并且對(duì)難以控制的變量（如光學(xué)像差、噪聲和孿生圖像問(wèn)題等）很敏感。

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以提高圖像重建的質(zhì)量。這種新穎的、未經(jīng)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了全變正則化以提高對(duì)比度，并考慮了光源的寬頻譜帶寬。

與需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)計(jì)算重建方法不同，這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)在算法中嵌入物理模型來(lái)消除訓(xùn)練需求。除了全息圖像重建，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還提供了從單一衍射強(qiáng)度模式中恢復(fù)盲源光譜，這標(biāo)志著對(duì)過(guò)去所有監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)的重大突破。

本研究中展示的未經(jīng)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使研究人員能夠在不事先了解光源光譜或光束輪廓的情況下使用新型光源，例如上述最小的新型硅LED，該LED由完全商業(yè)化的、未經(jīng)修改的體CMOS微電子技術(shù)制造。

研究人員設(shè)想這種基于CMOS的微型LED和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同組合，可以用于其他計(jì)算成像應(yīng)用，例如用于活細(xì)胞跟蹤的小型顯微鏡，或活體植物等生物組織的光譜成像。這項(xiàng)工作也證明了下一代片上成像系統(tǒng)的可行性。同軸全息顯微鏡已經(jīng)被用于各種應(yīng)用，包括粒子跟蹤、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物樣品成像和計(jì)量等。進(jìn)一步的應(yīng)用包括在CMOS中排布這些LED，以為未來(lái)更復(fù)雜的系統(tǒng)生成可編程的相干照明。

在Optica期刊上發(fā)表的那篇論文的主要作者、麻省理工學(xué)院研究助理Iksung Kang表示，“我們的研究突破代表了一種概念驗(yàn)證，它有望對(duì)很多需要微型LED的應(yīng)用帶來(lái)巨大影響。例如，這種LED可以組合成一個(gè)陣列，以獲得更大規(guī)模應(yīng)用所需要的高水平照明。此外，由于微電子CMOS工藝的低成本和可擴(kuò)展性，可以在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性、成本或形狀尺寸的情況下實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。這使我們能夠相對(duì)輕松地將手機(jī)攝像頭轉(zhuǎn)換為這種類(lèi)型的全息顯微鏡。此外，還可以將控制電子元件甚至成像器集成到同一芯片中，從而打造一種一體式微型LED，有望對(duì)該領(lǐng)域帶來(lái)變革性影響。”

“除了在無(wú)透鏡全息領(lǐng)域的巨大潛力，我們開(kāi)發(fā)的新型LED還有廣泛的其它潛在應(yīng)用。由于其波長(zhǎng)在生物組織的最小吸收窗口內(nèi)，加上其高強(qiáng)度以及納米級(jí)發(fā)射區(qū)域，這種LED有望成為生物成像和生物傳感應(yīng)用的理想選擇，例如近場(chǎng)顯微鏡和植入式CMOS器件?！盨MART CAMP和DiSTAP首席研究員、麻省理工學(xué)院電氣工程教授、這兩篇論文的合著者Rajeev Ram補(bǔ)充稱(chēng)，“此外，可以將這種LED與片上光電探測(cè)器集成，進(jìn)而在片上通信、近紅外接近傳感和光子學(xué)晶圓測(cè)試中找到更多應(yīng)用?！?/p>

審核編輯：劉清