MIT-onderzoekers hebben een optisch filter op een chip ontworpen dat optische signalen van een extreem breed lichtspectrum tegelijk kan verwerken, iets dat nooit eerder beschikbaar was voor geïntegreerde optische systemen die gegevens verwerken met behulp van licht. De technologie biedt mogelijk meer precisie en flexibiliteit voor het ontwerpen van optische communicatie- en sensorsystemen, het bestuderen van fotonen en andere deeltjes door middel van ultrasnelle technieken, en in andere toepassingen.

Optische filters worden gebruikt om één lichtbron te scheiden in twee afzonderlijke uitgangen:de ene reflecteert ongewenste golflengten - of kleuren - en de andere laat de gewenste golflengten door. Instrumenten die infraroodstraling nodig hebben, bijvoorbeeld, zal optische filters gebruiken om zichtbaar licht te verwijderen en schonere infraroodsignalen te krijgen.

Bestaande optische filters, echter, hebben afwegingen en nadelen. Discrete (off-chip) "breedband" filters, dichroïsche filters genoemd, verwerken grote delen van het lichtspectrum, maar zijn groot, kan duur zijn, en vereisen veel lagen optische coatings die bepaalde golflengten reflecteren. Geïntegreerde filters kunnen goedkoop in grote hoeveelheden worden geproduceerd, maar ze bestrijken meestal een zeer smalle band van het spectrum, zoveel moeten worden gecombineerd om grotere delen van het spectrum efficiënt en selectief te filteren.

Onderzoekers van MIT's Research Laboratory of Electronics hebben het eerste on-chip filter ontworpen dat, eigenlijk, komt overeen met de breedbanddekking en precisieprestaties van de omvangrijke filters, maar kan worden vervaardigd met behulp van traditionele fabricagemethoden met siliciumchips.

"Dit nieuwe filter neemt een extreem breed scala aan golflengten binnen zijn bandbreedte als invoer en scheidt het efficiënt in twee uitvoersignalen, ongeacht hoe breed of op welke golflengte de ingang is. Die mogelijkheid bestond voorheen niet in geïntegreerde optica, " zegt Emir Salih Magden, een voormalig Ph.D. student aan het Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) van MIT en eerste auteur van een paper waarin de filters worden beschreven die vandaag zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Paper co-auteurs samen met Magden, die nu assistent-professor elektrotechniek is aan de Koç University in Turkije, zijn:Nanxi Li, een afgestudeerde student van de Harvard University; en, van MIT, afgestudeerde student Manan Raval; voormalig afgestudeerde student Christopher V. Poulton; voormalig postdoc Alfonso Ruocco; postdoc-medewerker Neetesh Singh; voormalig onderzoeker Diedrik Vermeulen; Erich Ippen, de Elihu Thomson Professor in EECS en het Department of Physics; Leslie Kolodziejski, een professor in EECS; en Michael Watts, een universitair hoofddocent in EECS.

De stroom van licht dicteren

De MIT-onderzoekers ontwierpen een nieuwe chiparchitectuur die op veel manieren dichroïsche filters nabootst. Ze creëerden twee secties van precies gedimensioneerde en uitgelijnde (tot op de nanometer) siliciumgolfgeleiders die verschillende golflengten naar verschillende uitgangen coaxeren.

Golfgeleiders hebben rechthoekige dwarsdoorsneden die meestal zijn gemaakt van een "kern" van materiaal met een hoge index, wat betekent dat licht er langzaam doorheen gaat, omringd door een materiaal met een lagere index. Wanneer licht de materialen met een hogere en lagere index ontmoet, het heeft de neiging om naar het materiaal met een hogere index te stuiteren. Dus, in de golfgeleider raakt licht gevangen, en reist mee, de kern.

De MIT-onderzoekers gebruiken golfgeleiders om de lichtinput nauwkeurig naar de corresponderende signaaluitgangen te leiden. Een deel van het filter van de onderzoekers bevat een reeks van drie golfgeleiders, terwijl de andere sectie één golfgeleider bevat die iets breder is dan een van de drie afzonderlijke.

In een apparaat dat hetzelfde materiaal gebruikt voor alle golfgeleiders, licht heeft de neiging om langs de breedste golfgeleider te reizen. Door de breedtes in de reeks van drie golfgeleiders en openingen daartussen aan te passen, de onderzoekers laten ze verschijnen als een enkele bredere golfgeleider, maar alleen voor licht met langere golflengten. Golflengten worden gemeten in nanometers, en het aanpassen van deze golfgeleiderstatistieken creëert een "cutoff, " betekent de precieze nanometer golflengte waarboven licht de reeks van drie golfgeleiders als één enkele zal "zien".

In de krant, bijvoorbeeld, de onderzoekers creëerden een enkele golfgeleider van 318 nanometer, en drie afzonderlijke golfgeleiders van elk 250 nanometer met tussenruimtes van 100 nanometer. Dit kwam overeen met een cutoff van ongeveer 1, 540 nanometer, die zich in het infrarode gebied bevindt. Toen een lichtstraal het filter binnenging, golflengten van minder dan 1, 540 nanometer kon één brede golfgeleider aan de ene kant en drie smallere golfgeleiders aan de andere kant detecteren. Die golflengten bewegen langs de bredere golfgeleider. Golflengten langer dan 1, 540 nanometer, echter, kan geen spaties tussen drie afzonderlijke golfgeleiders detecteren. In plaats daarvan, ze detecteren een massieve golfgeleider die breder is dan de enkele golfgeleider, ga dus naar de drie golfgeleiders.

"Dat deze lange golflengten deze gaten niet kunnen onderscheiden, en zie ze als een enkele golfgeleider, is de helft van de puzzel. De andere helft ontwerpt efficiënte overgangen om licht door deze golfgeleiders naar de uitgangen te leiden, ' zegt Magden.

Het ontwerp zorgt ook voor een zeer scherpe afrol, gemeten door hoe nauwkeurig een filter een invoer bij de grenswaarde splitst. Als de roll-off geleidelijk gaat, een gewenst zendsignaal gaat naar de ongewenste uitvoer. Scherpere roll-off produceert een schoner signaal gefilterd met minimaal verlies. Bij metingen, de onderzoekers ontdekten dat hun filters ongeveer 10 tot 70 keer scherpere roll-offs bieden dan andere breedbandfilters.

Als laatste onderdeel, de onderzoekers gaven richtlijnen voor exacte breedtes en openingen van de golfgeleiders die nodig zijn om verschillende afsnijdingen voor verschillende golflengten te bereiken. Op die manier, de filters zijn in hoge mate aanpasbaar om op elk golflengtebereik te werken. "Als je eenmaal hebt gekozen welke materialen je wilt gebruiken, u kunt de benodigde afmetingen van de golfgeleider bepalen en een soortgelijk filter ontwerpen voor uw eigen platform, ' zegt Magden.

Scherper gereedschap

Veel van deze breedbandfilters kunnen binnen één systeem worden geïmplementeerd om signalen uit het hele optische spectrum flexibel te verwerken, inclusief het splitsen en combineren van signalen van meerdere ingangen naar meerdere uitgangen.

Dit zou de weg kunnen effenen voor scherpere "optische kammen, " een relatief nieuwe uitvinding die bestaat uit gelijkmatig verdeelde femtoseconde (een quadriljoenste van een seconde) lichtpulsen van over het zichtbare lichtspectrum - met enkele overspannende ultraviolette en infrarode zones - resulterend in duizenden individuele lijnen van radiofrequentiesignalen die lijken op "tanden". " van een kam. Optische breedbandfilters zijn van cruciaal belang bij het combineren van verschillende delen van de kam, die ongewenste signaalruis vermindert en zeer fijne kamtanden produceert op exacte golflengten.

Omdat de lichtsnelheid bekend en constant is, de tanden van de kam kunnen worden gebruikt als een liniaal om licht te meten dat wordt uitgestraald of gereflecteerd door objecten voor verschillende doeleinden. Een veelbelovende nieuwe toepassing voor de kammen is het aandrijven van "optische klokken" voor GPS-satellieten die mogelijk de locatie van een mobiele telefoongebruiker tot op de centimeter nauwkeurig kunnen bepalen of zelfs kunnen helpen om zwaartekrachtsgolven beter te detecteren. GPS werkt door de tijd bij te houden die een signaal nodig heeft om van een satelliet naar de telefoon van de gebruiker te reizen. Andere toepassingen zijn onder meer zeer nauwkeurige spectroscopie, mogelijk gemaakt door stabiele optische kammen die verschillende delen van het optische spectrum in één straal combineren, om de optische handtekeningen van atomen te bestuderen, ionen, en andere deeltjes.

In deze toepassingen en andere, het is handig om filters te hebben die brede, en heel anders, delen van het optische spectrum op één apparaat.

"Als we eenmaal echt nauwkeurige klokken hebben met scherpe optische en radiofrequentiesignalen, u kunt nauwkeurigere positionering en navigatie krijgen, betere receptorkwaliteit, en, met spectroscopie, toegang krijgen tot fenomenen die je voorheen niet kon meten, ' zegt Magden.