Разработан сверхбыстрый спектрометр на кристалле с искусственным интеллектом
Недавнее исследование Калифорнийского университета в Дэвисе (UC Davis), опубликованное в Advanced Photonics, направлено на решение этой проблемы. Цель исследования — уменьшить лабораторный спектрометр до размеров песчинки, то есть создать крошечный спектрометр на кристалле, который можно будет интегрировать в портативные устройства. Вместо традиционного подхода, основанного на пространственном распределении света, используется реконструктивный метод. Вместо физического разделения цветов в новом чипе используется всего 16 отдельных кремниевых детекторов, каждый из которых реагирует на входящий свет немного по-своему. Это можно сравнить с тем, как если бы мы дали нескольким специализированным датчикам смешанный напиток, и каждый датчик измерял бы разные параметры напитка. Ключом к расшифровке оригинального рецепта является вторая часть изобретения: искусственный интеллект (ИИ).
В основе этого нововведения лежат два технологических прорыва. Во-первых, команда разработала поверхности стандартных кремниевых фотодиодов со специальными текстурами для улавливания фотонов (PTST). Кремний обычно эффективно улавливает видимый свет, но плохо справляется с улавливанием света в ближнем инфракрасном диапазоне (БИК) (длина волны до 1100 нм), который крайне важен для многих областей применения, таких как биомедицинская визуализация, поскольку он проникает в ткани человека глубже, чем видимый свет. Поверхность PTST представляет собой продуманную текстуру, которая заставляет фотоны ближнего инфракрасного диапазона рассеиваться в тонком слое кремния, а не проходить сквозь него. Это значительно повышает вероятность того, что кремний поглотит свет, и делает весь чип чувствительным в широком спектральном диапазоне.
Помимо простого определения цвета, архитектура использует высокоскоростные датчики, которые обеспечивают сверхбыструю возможность измерения времени жизни фотонов. Такая временная точность позволяет устройству фиксировать мимолётные взаимодействия света и материи, которые невидимы для традиционных приборов.
Во-вторых, в чипе используется мощная полносвязная нейронная сеть (ИИ). Поскольку 16 уникальных детекторов улавливают только закодированные, зашумлённые сигналы, ИИ обучается на тысячах примеров, чтобы выявить сложную, скрытую взаимосвязь между необработанными выходными данными детекторов и исходным чистым световым спектром. ИИ решает эту «обратную задачу», восстанавливая световой спектр с высокой точностью (с разрешением около 8 нм). Этот вычислительный метод полностью устраняет необходимость в громоздкой оптике.
В результате получилась система с минимальной занимаемой площадью (0,4 квадратных миллиметра), высокой чувствительностью и устойчивостью к помехам. Чип с искусственным интеллектом может сохранять чёткость сигнала даже при наличии значительных электрических помех, что является серьёзной проблемой для портативной и недорогой электроники. Расширяя диапазон чувствительности кремния до важнейшего спектра ближнего инфракрасного диапазона и обеспечивая высокую производительность за счёт машинного обучения, эта технология открывает путь к по-настоящему интегрированному гиперспектральному зондированию в режиме реального времени в самых разных областях — от передовой медицинской диагностики до дистанционного зондирования окружающей среды.
Сообщение Разработан сверхбыстрый спектрометр на кристалле с искусственным интеллектом появились сначала на Время электроники.