Fourier-transform infrarood (FTIR) spectrometers, een van de meest gebruikte onderzoeksinstrumenten om chemicaliën te identificeren en te analyseren, zijn te groot om in het veld te worden gebruikt om verbindingen te detecteren.

Er zijn verschillende pogingen gedaan om geminiaturiseerde FTIR-spectrometers te ontwikkelen voor integratie in drones om broeikasgassen op afstand te bewaken, of voor integratie in smartphones en andere apparaten. Echter, huidige geminiaturiseerde apparaten zijn kostbaar om te produceren.

Wetenschappers van het Device Research Laboratory van de University of Campinas (LPD-UNICAMP) in Brazilië, samenwerken met collega's van de University of California San Diego in de Verenigde Staten, hebben deze beperkingen overwonnen door een FTIR-spectrometer te ontwikkelen op basis van siliciumfotonica, de technologie die momenteel wordt gebruikt om chips voor computers te maken, smartphones en andere elektronische apparaten.

De studie werd geleid door Mário César Mendes Machado de Souza en een onderzoeksstage in het buitenland, en gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Souza is de hoofdauteur van het artikel.

"Siliciumfotonica biedt een platform voor de fabricage van betaalbare, hoogwaardige geminiaturiseerde spectrometers, " hij zei.

Volgens Souza, FTIR-spectroscopie identificeert chemicaliën met behulp van een infraroodlichtbron om absorptie te meten. Een monster wordt blootgesteld aan verschillende golflengten van infrarood licht, en de spectrometer meet welke golflengten worden geabsorbeerd. De computer neemt deze ruwe absorptiegegevens en voert een wiskundig proces uit dat bekend staat als de Fourier-transformatie om een ​​absorptiepatroon of spectrum te genereren, die wordt vergeleken met een bibliotheek van spectra voor chemische verbindingen om een ​​match te vinden.

Projecten hebben de afgelopen jaren geprobeerd een FTIR-spectrometer te ontwikkelen op basis van geïntegreerde fotonica, die gebruik maakt van licht, vooral in het infraroodspectrum, maar de vooruitgang is minimaal als gevolg van verschillende technische uitdagingen, Souza uitgelegd. Een van deze uitdagingen is het zeer dispersieve profiel van siliciumgolfgeleiders, wat betekent dat elke golflengte in dit materiaal met een andere snelheid reist en dus een andere brekingsindex heeft.

De brekingsindices van optische golfgeleiders in silicium kunnen worden "afgestemd" door middel van het thermo-optische effect, waarbij een stroom over de golfgeleider wordt geleid om deze te verwarmen. Omdat het apparaat bij hoge temperaturen moet worden gebruikt om een ​​hoge resolutie te bereiken, deze techniek wordt niet-lineair in die zin dat veranderingen in temperatuur correleren met onevenredige veranderingen in de brekingsindex.

"In praktijk, wat er gebeurt als een thermo-optisch effect wordt toegepast op een op silicium gebaseerde infraroodspectrometer met geïntegreerde fotonica, is dat de wiskundige bewerkingen van de Fourier-transformatie die worden gebruikt om de verzamelde stralingsspectrumgegevens om te zetten, volledig verkeerde resultaten opleveren, ' legde Souza uit.

De onderzoekers hebben deze uitdagingen overwonnen door een laserkalibratiemethode te creëren om de vervormingen veroorzaakt door siliciumgolfgeleiderdispersie en niet-lineariteit te kwantificeren en te corrigeren. Als proof-of-concept, ze ontwikkelden een 1 mm² FTIR-spectrometerchip op basis van standaard fabricageprocedures voor siliciumfotonica.

De chip is getest in het laboratorium, het produceren van een breedbandspectrum met een resolutie van 0,38 terahertz (THz), die vergelijkbaar is met de resolutie van in de handel verkrijgbare draagbare spectrometers die in hetzelfde golflengtebereik werken, volgens de onderzoekers. "Het apparaat dat we hebben ontwikkeld is verre van geoptimaliseerd, maar bereikt nog steeds resoluties die vergelijkbaar zijn met die van de draagbare, op vrije ruimte gebaseerde spectrometers die momenteel op de markt verkrijgbaar zijn, ' zei Souz.

De onderzoekers zijn nu van plan om een ​​apparaat te ontwikkelen dat volledig functioneel is en geïntegreerd is met fotodetectoren. lichtbronnen en optische vezels. "Ons doel is om de lichtbron en de detector van de spectrometer in hetzelfde platform te integreren, ' zei Souz.