高速、高性能傳感芯片在萬物互聯的智能化時代具有重要作用。近日，南開大學電子信息與光學工程學院現代光學研究所龔誠副教授、劉偉偉教授團隊研發了一款成本低廉的、能夠用光來實現高靈敏毫米波探測和高速成像的焦平面陣列堆疊芯片。該芯片具有1600個探測單元，實測幀頻144Hz，可探測物質的瞬態結構形貌變化。相關成果以“堆疊meta-MEMS芯片：用光對毫米波成像（Using light to image millimeter wave based on stacked meta-MEMS chip）”為題，發表在《光：科學與應用》（Light: Science & Applications）上。
提高芯片的性能并降低芯片的成本在未來信息化、智能化時代具有日益重要的作用。焦平面陣列毫米波芯片因其無需掃描、可實時探測、高度集成化的特點，成為芯片行業研究的熱點，可廣泛應用于高頻通信、雷達制導、透視成像、微波光子等領域。近年來，傳統基于電學讀出的毫米波焦平面陣列芯片性能已經達到或接近極限，且成本居高不下，因此，有必要探索新的探測機制和芯片設計方案來突破限制。光具有全并行、超高速、非接觸、低串擾的性能優勢，而堆疊技術能夠顯著降低芯片的工藝成本。
研究團隊從光的上述特性中汲取靈感，將超材料（metamaterial）完美吸收技術同微機電系統（MEMS）高靈敏傳感技術相結合，提出了基于光學的meta-MEMS創新設計，構建了一款高性能且低成本的光學讀出毫米波焦平面陣列芯片。
圖|堆疊meta-MEMS芯片原理及成像結果
a,堆疊芯片示意圖. b,堆疊芯片實物圖. c,堆疊芯片陣列示意圖. d,基于堆疊芯片的光學毫米波成像裝置. e,光讀出毫米波成像結果.
“我們嘗試了一種用光來實現對電磁波進行低成本高速探測的方法。”龔誠介紹，該芯片由上芯片和下芯片堆疊而成，上芯片為MEMS微結構功能芯片，能夠吸收毫米波并實現光學讀出；下芯片為透明基底諧振腔芯片，能夠產生磁諧振輔助毫米波吸收并透過可見光。
其中上芯片的厚度小于波長的1/2500，吸收率卻達到了99%以上。所選擇的毫米波頻段為94GHz，是非常重要的大氣窗口頻段，在6G通信、射電天文、導航制導、無損檢測等領域具有重要應用。在超薄尺度效應和超高吸收效率的共同作用下，芯片實現了對毫米波的高速、高靈敏、高分辨成像，成像幀頻達到144Hz，在3.5cm×4.5cm面積內集成了1600個探測單元，無透鏡成像的分辨率達到了1.5mm。
團隊所提出的基于堆疊策略的光學meta-MEMS芯片不僅能夠應用于毫米波焦平面陣列探測芯片，還可以通過尺寸縮放拓展到其它波段（例如：短波紅外、太赫茲波段等），并能夠通過結構創新同偏振、相位調控相結合，構建新一代多功能、高性能、低成本探測及調制芯片，展現了巨大的應用潛力。
“該技術體現了光電融合的巨大優勢，是微波光子學領域的新嘗試。利用該技術，未來我們可以用光來實現對任意電磁波（微波、太赫茲、紅外等）的高速探測、調制甚至計算。”龔誠說。
博士研究生汪涵為本文第一作者，南開大學龔誠副教授為通訊作者，南開大學為第一完成單位。本文的合作研究團隊為電子科技大學國家級電磁場與微波技術重點學科延波教授、王志剛研究員團隊。