微型红外芯片，提升气体与热信号检测精度

红外相机能够捕捉人眼无法识别的有效信息，例如管道泄漏气体、大气中的化学物质、建筑外泄的热量等。但想要高精度感知红外光线，仍需依赖昂贵且体积庞大的整套设备。如今麻省理工学院（MIT）研究团队研发出一款基于芯片的光学器件，可动态调控入射红外光，充当可调谐镜头，为红外相机采集更多维度探测信息。该器件镜头的每一个微型像素都能独立控制红外光束，无需机械运动部件即可改变对焦状态，辅助相机识别各类不同信号。

相关研究成果已发表于《自然・通讯》期刊。研究人员还介绍，这套实验样机的制备大多采用半导体芯片工厂通用成熟制程，意味着该技术具备规模化工业量产条件。依托这项技术，业界有望打造体积小巧、可动态调谐的红外相机，用于高动态热成像、化学物质传感、污染物监测，甚至全新形态的光计算设备。

2025届博士、论文第一作者Cosmin-Constantin Popescu解释道：“该设备既能助力深空观测获取更多数据，也可用于环保领域监测大气中的特定化合物；热成像是另一大应用场景，同时还能替代现有夜视镜，落地各类军用场景。绝大多数有机分子都会吸收中红外波段光线，这套系统恰好可以精准完成检测。”

芯片级超构透镜

近些年，科研人员通过在透明材料上刻蚀精细微纳图案，研发出可动态控光的超构表面（metasurface），借此打造更紧凑、可编程的相机与各类先进光学器件。

MIT的Hu课题组长期研究一类温控相变型超构表面：材料受热后可在固态、液态之间切换，利用这种物态变化，就能改变材料与光线的相互作用方式。2021年，Hu及其合作者就借助相变原理，研制出一款微型变焦镜头。

这款初代器件运行稳定，但只能对整块材料同步统一调焦，也是绝大多数超构表面的固有局限。本次新研究中，团队在此基础上实现突破，做到对材料上每一处微型像素独立控光。

Hu表示：“目前绝大多数支持单像素独立调谐的有源超构表面，都需要为每个像素单独布线，线路排布会成为巨大技术瓶颈；此前最优方案也仅能实现一维像素阵列调控，配套大量布线。”

研究团队同时选定中红外波段作为工作区间——该波段肉眼不可见，却能精准捕捉热信号、甲烷与丙烷等分子特征。现有中红外探测设备已广泛用于燃气泄漏检测、大气观测，以及众多国防、航空航天领域。

整套器件借鉴显示屏成熟工艺：两层规整排布的铜导线垂直交错堆叠；导线下方是掺杂硅层，可在导线交叉点位产生热量；硅层下方铺设相变材料。硅层产生的热量，能切换相变材料像素的晶体/非晶体结构，进而改变材料对入射红外光的调控效果。硅层内部集成二极管选通开关，避免相邻像素间产生杂散漏电流。

Hu补充：“测算结果表明，这套架构可扩展至数百万像素规模，且不会出现漏电流干扰问题。核心创新在于这套交叉阵列架构（crossbar architecture），它为超构表面像素级独立开关提供了可规模化实现路径。该架构并非本次首创，早已应用于显示屏领域，但我们首次将其用于有源相变超构表面，真正实现二维像素独立调控。学界多年来始终在攻关二维像素级控光，本次是首次落地成型方案。”

团队依托MIT纳米创新中心设备与专业半导体芯片代工厂完成试制，最终做出6×6像素阵列的二维超构表面系统。实测验证，器件可稳定反复通断切换。Popescu称：“这种网格交叉架构可靠性极强。我们要求材料能够反复开关数万次甚至更多，不能仅单次切换后就失效。”

规模化量产前景

研究人员表示，该器件部分设计可兼容现有半导体制造流程，能够脱离实验室样机阶段走向商用。Hu提到：“想要规模化落地，工艺必须具备一致性，这也是半导体代工厂制程至关重要的原因。与拥有标准化工艺管控的晶圆厂合作，不仅技术实现难度更低，还能把所有元器件整合至同一套高效产线。”

目前团队正在扩充像素阵列规模，开发稳定性更强的迭代版本，以此采集更丰富的红外探测数据。“很多成像场景中，我们预先知道目标特征，”Hu解释，“比如在黑暗环境中搜寻人体、识别画面里树木等特定物体。凭借这套设备，我们可预先配置调控参数，针对性突出目标特征。”

Hu还介绍，已有研究利用超构表面模拟驱动AI系统的计算神经网络，不过这类应用距离商业化落地仍有较长周期。“该技术有望实现更高性能的光计算，通过超构表面为神经网络写入权重参数。光线穿过材料时会与超构表面发生耦合，光信号承载运算信息，直接输出计算结果。已有研究借助该方案模拟复杂度极高的神经网络。”