對于從事有線或無線頻譜幾乎任何部分工作的電氣工程師來說，頻譜分析儀是一個關鍵的測試和測量工具。對于光學工程來說，對應的工具是光譜儀，隨著電子學和光學的接口、融合和重疊，光譜儀正日益成為電氣工程師的重要工具。

雖然無線和光學都處理電磁能量，但實際上它們各自的射頻和光學波段屬性和對應的傳感器有很大差異。即使關鍵參數——光譜每個定義切片的能量——是相同的，情況依然如此。傳統上，能夠在寬光帶高分辨率工作時，需要配備濾光片、光柵和傳感器的布置，這增加了復雜性和成本。

微型光譜儀可能會引領掌上型設備

材料的新發展正在重新定義這一局面。北卡羅來納州立大學的研究人員成功展示了一臺光譜儀，其體積比現有技術小好幾個數量級，能夠準確測量從紫外到近紅外波段的光。

這項技術使得手持光譜設備能夠實現，并為開發集成多款新傳感器的設備，作為下一代成像光譜儀提供了前景。

除了如預期詳細介紹他們的工作外，研究人員還細致地概述了微型光譜儀的替代方法及其權衡問題。

微型光譜儀的挑戰與權衡

研究人員指出，此前實現微型化的努力伴隨著頻譜分辨率和作帶寬的下降。

多種策略已被用于便攜式或集成應用的規模化光譜儀，包括微型色散光學、窄帶濾波器、基于傅里葉變換的系統以及基于計算重建的系統。

前三種策略由于光學路徑長度限制以及色散光學器件的使用使其難以制成成像系統，難以擴展到亞毫米尺寸。基于重建的系統可以幫助減少或消除對外部光學元件的需求。

使用帶空間調制的陣列通常需要更復雜的制造方案，且空間分辨率可能降低。電調制能夠利用單個像素實現光譜重建，但調制探測器響應度需要時間。盡管如此，這種方法有潛力更緊湊、更易于成像陣列擴展，同時具有更快的探測速度。

利用半導體納米線、黑磷、二維半導體、鈣鈦礦和有機半導體進行微型化光譜儀的重建演示已發表。基于黑磷、二維半導體和鈣鈦礦的器件采用外部電壓偏置以實現光譜變化的響應。然而，這些演示在光學帶寬、探測率或線性動態范圍上均有限。

制造可重復的二維材料器件可能具有挑戰性，尤其是在實現探測器陣列時。

有機光電探測器：新方法的關鍵

團隊負責人、機械與航空航天工程教授布倫丹·奧康納指出：“我們創造了一種能快速、低電壓運行且對寬光譜敏感的光譜儀。”他補充說：“我們的演示原型只有幾平方毫米的大小。這種高性能成像光譜儀不需要外部光柵或濾光片。”

該設備的關鍵是一個微型有機光電探測器（OPD），其活性面積為7.6 mm2，能夠感測光與目標材料相互作用后的波長。對光電探測器施加不同電壓會改變光探測器最敏感的光波長（見圖1）。

1. 有機光電探測器（OPD）方法概述。

掃描光譜時，會對光電探測器施加一個斜振控制電壓，從而調節其光譜響應。光譜儀單元隨后測量在遞增周期內的輸出電壓，對應于每個電壓下捕獲的光波長。這提供了足夠的數據，使得利用測量到的光譜響應矩陣進行簡單的計算重建，能夠準確重現穿過或反射目標材料的光特征。

該光譜儀基于有機光電探測器，利用靶有機半導體（D18-Cl、L8BO、PTB7-Th和COTIC-4F）的互補光譜響應，采用“串聯單元”設計。每個子細胞設計具有不同的吸收特性，且這些特性相互重疊（見圖2）。

2. 微型化光譜儀的概念與工作原理：（A和B）串聯OPD光譜儀中使用的有機半導體的化學結構（A）和吸收率（B）。（C）串聯OPD光譜儀設備架構，具有層厚和依賴偏置的作。（D）OPD光譜儀外部偏置依賴響應度的示意圖。

這些子細胞具有相反的極性，導致其光譜響應可偏置，對紫外到近紅外波段（400至1000納米）均敏感。偏置調諧電壓低于1伏，使該傳感器兼容電池供電設計，整個調諧掃描過程不到一毫秒。

前亞電池和后亞電池由一層高功相互作用層（聚（3,4-乙烯二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸鹽（PEDOT：PSS）和低功函數電子輸運層（ZnO）氧化鋅（ZnO）組成，位于細胞對側。最后，探測器的前后電極由氧化銦錫（ITO）和銀組成。

測試結果

團隊評估了不同模式的性能，包括寬帶和窄帶模式（見圖3）。他們使用高性能商用光譜儀作為比較標準。

3. 高分辨率波長解析能力和寬譜重建：（A） 588至624 nm的高分辨率光譜響應矩陣，訓練步長為1 nm。（B）從單色儀的OPD重建的2納米步長光譜，并與商業光譜儀參考進行對比。（C） 重建和參考光譜峰值波長與輸入波長的關系，顯示平均誤差為0.18 nm。（D）使用商業光譜儀測量的光譜（參考），與綠光LED（左）和白光在不同顏色濾光片下的OPD重建光譜進行比較。

探測器表現出0.27 A/W的響應率，2.82/3.72微秒的升降時間，光學探測率為1.4 × 1012 Jones。[參數“x' Jones的光學探測度”指的是R.C. Jones在論文中定義的一種特定的光學探測器靈敏度單位，稱為Jones。它是廣泛使用的衡量器捕捉弱光信號能力的指標，定義為噪聲等效功率（NEP）的倒數，歸一化為探測器面積和帶寬的平方根。]