5月8日消息，近日，新加坡與麻省理工學(xué)院研究與技術(shù)聯(lián)盟（SMART）研究人員宣布開發(fā)出了世界上Z小的基于CMOS工藝的硅基LED，其發(fā)射光譜以1100nm為中心，發(fā)射面積小于0.14 μm。這種LED具有 >50 mW/cm 的高空間強度，單個LED就可以同時照亮硅基CMOS圖像傳感器的約950萬像素（> 1 cm 面積），可與具有更大發(fā)射面積的Z先進的硅基發(fā)射器相媲美，并且全息圖的信噪比（SNR）足以重建隨機分布的20?μm直徑的乳膠珠（latex beads）。其有望讓智能手機的相機應(yīng)用再提升，成為容易攜帶的高解析度顯微鏡。

光子學(xué)是一個與光子的傳輸和性質(zhì)有關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域。光子學(xué)的發(fā)展帶來了廣泛領(lǐng)域的創(chuàng)新，包括光學(xué)數(shù)據(jù)通信、成像、生命科學(xué)和醫(yī)療保健以及照明和顯示器。盡管光子芯片——包含兩個或兩個以上光子組件的微芯片，形成一個正常工作的電路——在照明領(lǐng)域取得了長足的進步，但集成一個小型、明亮的片上（on-chip）發(fā)射器仍然難以搞定。通常，制造商會使用片外（off-chip）光源，這種光源的能效較低，限制了光子芯片的可擴展性。

以前的片上發(fā)射器很難集成到標(biāo)準(zhǔn)互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）平臺中。CMOS是一種建立在印刷電路板上的集成電路，這是當(dāng)今大多數(shù)芯片中使用的半導(dǎo)體技術(shù)。在手機的攝像頭當(dāng)中，CMOS被用作攝像頭的“眼睛”。

SMART研究人員宣布開發(fā)出的世界上Z小的硅基LED，使 off-chip 發(fā)射器可能成為過去的產(chǎn)物。研究人員將他們的微型硅基LED與其他光子和電子元件一起放置在一個55 nm的CMOS節(jié)點中——所有這些都在一個芯片上。

為了測試他們的硅基LED如何在現(xiàn)實世界中使用，他們將其放置在無透鏡全息顯微鏡中。無透鏡顯微鏡比普通顯微鏡更小，也更便宜，因為它們不需要復(fù)雜、精確的透鏡系統(tǒng)。他們使用光源照射樣本；然后，光被散射到CMOS數(shù)字圖像傳感器上，產(chǎn)生一個數(shù)字全息圖，由計算機處理產(chǎn)生圖像。

無透鏡全息顯微鏡在重建圖像時可能會遇到困難。通常，準(zhǔn)確的重建需要對光源的孔徑和波長以及樣本到傳感器的距離有詳細的了解。為了克服這一困難，研究人員使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法重建全息顯微鏡觀察到的物體。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模仿人腦網(wǎng)絡(luò)的計算機系統(tǒng)，依靠訓(xùn)練數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)并隨著時間的推移提高其準(zhǔn)確性。

研究人員發(fā)現(xiàn)，他們的全息透鏡比普通光學(xué)顯微鏡提供了更準(zhǔn)確的高分辨率圖像。他們計算出它的分辨率大約為20微米。而人類皮膚細胞的直徑為20至40微米；白細胞約為30微米。

研究人員看到了下一代CMOS集成微型LED和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的許多應(yīng)用，包括重建人體組織樣本和植物種子等微觀物體。研究人員表示，只需修改手機的硅基芯片和軟件，就可以將手機轉(zhuǎn)換為高分辨率顯微鏡，就可以將其用于現(xiàn)有的智能手機攝像頭。

該研究的通訊作者Rajeev Ram說：“除了在無透鏡全息術(shù)方面的巨大潛力外，我們的新型LED還有廣泛的其他可能應(yīng)用。”“由于其波長在生物組織的Z小吸收窗口內(nèi)，加上其高強度和納米級發(fā)射面積，我們的LED可能是生物成像和生物傳感應(yīng)用的理想選擇，包括近場顯微鏡和植入式CMOS器件。”

編輯：芯智訊-浪客劍