1666年，牛顿通过三棱镜分解阳光，首次揭示光的光谱特性，由此诞生了光谱仪。这一工具使人类得以以前所未有的精度探测物质、认知世界。历经三百多年发展，光谱仪已成为科研与工业的核心设备，广泛应用于成分分析、环境监测、遥感探测等领域。
然而，传统光谱成像技术依赖复杂的光学结构和机械扫描系统，存在体积大、成本高、难以集成等瓶颈，尤其在深紫外/紫外波段，受限于材料与工艺，微型化芯片级解决方案长期空白。
中国团队实现紫外光谱仪芯片突破
中国科学技术大学孙海定教授iGaN实验室联合武汉大学刘胜院士团队，成功研制出国际首款微型紫外光谱仪芯片，并实现片上光谱成像。该成果以《微型级联二极管阵列光谱成像仪》为题发表于Nature Photonics 2025年第19期。
图丨相关论文（来源：Nature Photonics）
该芯片基于新型氮化镓（GaN）基级联光电二极管架构，结合深度神经网络（DNN）算法，实现了高精度光谱重构与多光谱成像。其光谱响应速度达纳秒级，为当前国际已报道微型光谱仪中最快水平。
研究团队包括共同第一作者余华斌博士、Muhammad Hunain Memon博士、高志祥、姚铭家，通讯作者为孙海定教授。浙江大学杨宗银教授、剑桥大学Tawfique Hasan教授及武汉大学刘胜院士提供重要支持。
技术创新：从“可编程”光谱响应到芯片级成像
团队提出一种N-P-N背靠背级联光电二极管结构，利用GaN/AlGaN异质结材料体系，在不同偏压下调控器件对紫外光的吸收特性，实现电压可调的“可编程”光谱响应。
每个偏压对应一条独特的光谱响应曲线，多个偏压组合形成丰富的响应函数集，替代传统光栅分光机制，将光谱解析由光学过程转化为电子调控过程。
图丨NPN级联二极管工作原理（来源：Nature Photonics）
该器件可在2英寸晶圆上大规模制备，并通过键合工艺集成阵列，构成光谱成像芯片。实验表明，芯片在250–365 nm波段内光谱分辨率高达0.62 nm，时间响应小于10纳秒，性能领先国际同类技术。
图丨微型紫外光谱仪及其光谱分析结果（来源：Nature Photonics）
实现有机物高分辨光谱成像
研究团队利用该芯片对橄榄油、花生油、动物油脂和牛奶等液滴样品进行直接成像，每个像素点采集波长依赖的光电流信号，结合神经网络重建光谱图像，清晰呈现不同有机物在紫外波段的特征吸收差异与空间分布。
图丨微型紫外光谱仪的有机光谱检测和成像结果（来源：Nature Photonics）
应用前景广阔，推动光谱技术普及化
该芯片填补了紫外波段微型光谱仪的技术空白，具备低成本、高响应速度、易集成等优势，有望推动光谱分析从实验室走向日常应用。
食品安全检测
未来手机嵌入此类芯片后，用户可快速检测果蔬农药残留、牛奶是否掺假，实现即时、便携式食品质量判断。
医疗健康监测
集成于智能手环中，可实现无创血糖监测，减少糖尿病患者频繁采血的痛苦，提升健康管理效率。
环境与应急监测
搭载于无人机或机器人，可用于大气污染物实时监测、火灾现场有害气体识别，提升应急响应能力。
科研与工业场景
纳秒级响应速度使其适用于捕捉瞬态化学反应、燃烧过程或短寿命生物事件，大幅降低高端实验设备门槛。
- 购物时，手机可识别食材新鲜度；
- 运动时，穿戴设备实时追踪代谢状态；
- 出行时，无人机绘制空气质量地图；
- 医疗中，芯片辅助获取全面代谢数据。
正如CMOS芯片推动数码相机普及，这款GaN基微型光谱芯片有望引领光谱成像进入小型化、智能化新时代。
产业化路径清晰，助力国产技术领跑
该技术完全兼容现有半导体制造工艺，具备大规模生产潜力。据团队介绍，其成本有望降至传统方案的百分之一，极大拓展应用边界。
目前，iGaN团队正积极推进产业化合作，目标将芯片应用于无人机巡检、工业传感、农业监测等领域，构建分布式多参数感知网络。
图丨微型光谱仪覆盖光谱波段（来源：Nature Photonics）
氮化镓作为国家战略新兴材料，已在照明领域取得重大突破。此次光谱芯片的成功研发，标志着其在光感知与集成光电子方向迈出关键一步。随着AI算法融合与产业协同深化，该技术有望在医疗、环保、消费电子等领域实现广泛应用，开启“人人可用”的光谱感知时代。