Spectrometers - apparaten die verschillende golflengten van licht onderscheiden en worden gebruikt om de chemische samenstelling van alles te bepalen, van laboratoriummaterialen tot verre sterren - zijn grote apparaten met prijskaartjes van zes cijfers, en zijn meestal te vinden in grote universitaire en industriële laboratoria of observatoria.

Een nieuwe vooruitgang door onderzoekers van MIT zou het mogelijk kunnen maken om kleine spectrometers te produceren die net zo nauwkeurig en krachtig zijn, maar in massaproductie kunnen worden geproduceerd met behulp van standaard chipproductieprocessen. Deze benadering zou nieuwe toepassingen voor spectrometrie kunnen openen die voorheen fysiek en financieel onmogelijk zouden zijn geweest.

De uitvinding wordt vandaag beschreven in het tijdschrift Natuurcommunicatie , in een paper van MIT universitair hoofddocent materiaalwetenschap en techniek Juejun Hu, promovendus Derek Kita, onderzoeksassistent Brando Miranda, en vijf anderen.

De onderzoekers zeggen dat deze nieuwe benadering van het maken van spectrometers op een chip grote prestatievoordelen kan opleveren. maat, gewicht, en stroomverbruik, vergeleken met de huidige instrumenten.

Andere groepen hebben geprobeerd om op chips gebaseerde spectrometers te maken, maar er is een ingebouwde uitdaging:het vermogen van een apparaat om licht te verspreiden op basis van zijn golflengte, met behulp van een conventioneel optisch systeem, is sterk afhankelijk van de grootte van het apparaat. "Als je het kleiner maakt, de prestaties verslechteren, "zegt Hu.

Een ander type spectrometer gebruikt een wiskundige benadering die een Fourier-transformatie wordt genoemd. Maar deze apparaten worden nog steeds beperkt door dezelfde groottebeperking:lange optische paden zijn essentieel voor het bereiken van hoge prestaties. Aangezien krachtige apparaten lange, instelbare optische weglengtes, geminiaturiseerde spectrometers zijn van oudsher inferieur in vergelijking met hun tafelmodel-tegenhangers.

In plaats daarvan, "we gebruikten een andere techniek, " zegt Kita. Hun systeem is gebaseerd op optische schakelaars, die onmiddellijk een lichtstraal tussen de verschillende optische paden kan omdraaien, die van verschillende lengte kunnen zijn. Deze volledig elektronische optische schakelaars elimineren de noodzaak van beweegbare spiegels, die vereist zijn in de huidige versies, en kan eenvoudig worden gefabriceerd met behulp van standaard chiptechnologie.

Door de bewegende delen te elimineren, Kita zegt, "Er is een enorm voordeel in termen van robuustheid. Je zou het van de tafel kunnen laten vallen zonder schade aan te richten."

Door padlengtes te gebruiken in stappen van de macht van twee, deze lengtes kunnen op verschillende manieren worden gecombineerd om een ​​exponentieel aantal discrete lengtes te repliceren, wat leidt tot een potentiële spectrale resolutie die exponentieel toeneemt met het aantal optische schakelaars op de chip. Het is hetzelfde principe waarmee een weegschaal een groot aantal gewichten nauwkeurig kan meten door slechts een klein aantal standaardgewichten te combineren.

Als proof-of-concept, de onderzoekers contracteerden een industriestandaard halfgeleiderproductieservice om een ​​apparaat te bouwen met zes sequentiële schakelaars, het produceren van 64 spectrale kanalen, met ingebouwde verwerkingscapaciteit om het apparaat te besturen en de uitvoer te verwerken. Door uit te breiden naar 10 schakelaars, de resolutie zou springen naar 1, 024 kanalen. Ze ontwierpen het apparaat als een plug-and-play-eenheid die gemakkelijk kan worden geïntegreerd met bestaande optische netwerken.

Het team gebruikte ook nieuwe technieken voor machine learning om gedetailleerde spectra te reconstrueren uit een beperkt aantal kanalen. De door hen ontwikkelde methode werkt goed om zowel brede als smalle spectrale pieken te detecteren, zegt Kita. Ze konden aantonen dat de prestaties inderdaad overeenkwamen met de berekeningen, en opent zo een breed scala aan potentiële verdere ontwikkeling voor verschillende toepassingen.

De onderzoekers zeggen dat dergelijke spectrometers toepassingen kunnen vinden in meetapparatuur, materialen analyse systemen, optische coherente tomografie in medische beeldvorming, en het bewaken van de prestaties van optische netwerken, waarop de meeste van de huidige digitale netwerken vertrouwen. Nu al, het team is benaderd door enkele bedrijven die geïnteresseerd zijn in mogelijke toepassingen van dergelijke microchip-spectrometers, with their promise of huge advantages in size, gewicht, en stroomverbruik, Kita says. There is also interest in applications for real-time monitoring of industrial processes, Hu adds, as well as for environmental sensing for industries such as oil and gas.