全球首款，晶片“玉衡”出世！

清華大學團隊研製出亞埃米級快照光譜成像晶片“玉衡”。

清華大學電子工程系方璐教授團隊在智能光子領域取得重大突破，首創了可重構計算光學成像架構，研製了高分辨光譜成像晶片“玉衡”，實現了亞埃米級光譜解析度，千萬像素級空間解析度的快照光譜成像，標誌著中國智能光子技術在高精度成像測量領域邁上新台階。相關研究成果以《整合鈮酸鋰光子學亞埃米級快照光譜成像》（“Integrated lithium niobate photonics for sub-angstrom snapshot spectroscopy”）為題線上發表於學術期刊《自然》。

光譜記錄著光在不同波長下的強度變化，揭示了物質與光的相互作用，是解析成分、結構與特性的“光學金鑰”。然而，傳統光譜測量受限於分光採集與固化結構，光譜解析度與成像通量之間長期存在固有矛盾，成為光譜成像領域久未破解的科學難題。

研究團隊基於智能光子原理，創新提出可重構計算光學成像架構，將傳統物理分光限制轉化為光子調製與計算重建過程。通過挖掘隨機干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構特性，團隊實現高維光譜調製與高通量解調的協同計算。

並由此研製出亞埃米級高分辨光譜成像晶片——“玉衡”。無需在波長維度犧牲通量，每個像素均可獲取完整光譜資訊，快照光譜成像的分辨能力（R=12,000）提升兩個數量級，突破了光譜解析度與成像通量無法兼得的，長期瓶頸。

與傳統體型龐大、採集緩慢的高分辨光譜裝置不同，“玉衡”晶片僅約2釐米×2釐米×0.5釐米，卻可在400—1000奈米的寬光譜範圍內，實現亞埃米級光譜解析度、千萬像素級空間解析度的快照光譜成像，能在單次快照中同步獲取全光譜與全空間資訊，並具備88 Hz 的快照光譜成像能力，為高分辨光譜成像開闢了新路徑。

方璐表示，“玉衡”攻克了光譜成像系統的解析度、效率與整合度難題，可廣泛應用於機器智能、機載遙感、天文觀測等領域，以天文觀測為例，“玉衡”的快照式成像每秒可獲取近萬顆恆星的完整光譜，有望將銀河系千億顆恆星的光譜巡天周期從數千年縮短至十年以內，憑藉微型化設計，它還可搭載於衛星，有望在數年內繪製出人類前所未有的宇宙光譜圖景。

據悉，目前課題組正基於原理樣片，加速工程化樣機與系統級最佳化，並將在10.4米口徑加那利大型望遠鏡（GTC）上進行測試應用。

小彩蛋！為何這枚晶片會取名叫“玉衡”呢？據清華大學解釋稱，玉衡之名：以光校衡天地。《尚書·舜典》有言“在璿璣玉衡，以齊七政”，古人以“玉衡”校定日月星辰的運行秩序。而今，科學家以同名之芯，校衡光的頻譜與宇宙的奧秘。

“玉衡”是融合人工智慧、整合光子學與材料科學的突破。未來，隨著高分辨光譜獲取範式的持續變革，以“玉衡”為代表的計算光譜成像技術有望以更小的體積、更高的分辨力、更廣的應用邊界，為材料科學、地球科學、天文科學開拓新的光譜天地。 (半導體產業縱橫)