I ricercatori del MIT hanno progettato un filtro ottico su un chip in grado di elaborare segnali ottici da uno spettro di luce estremamente ampio contemporaneamente, qualcosa di mai prima disponibile per i sistemi ottici integrati che elaborano i dati utilizzando la luce. La tecnologia può offrire maggiore precisione e flessibilità per la progettazione di sistemi di comunicazione ottica e sensori, studiando fotoni e altre particelle attraverso tecniche ultraveloci, e in altre applicazioni.

I filtri ottici vengono utilizzati per separare una sorgente luminosa in due uscite separate:una riflette le lunghezze d'onda, o colori, indesiderate e l'altra trasmette le lunghezze d'onda desiderate. Strumenti che richiedono radiazioni infrarosse, ad esempio, utilizzerà filtri ottici per rimuovere qualsiasi luce visibile e ottenere segnali infrarossi più puliti.

Filtri ottici esistenti, però, avere compromessi e svantaggi. Filtri "banda larga" discreti (off-chip), detti filtri dicroici, processano ampie porzioni dello spettro luminoso ma sono grandi, può essere costoso, e richiedono molti strati di rivestimenti ottici che riflettano determinate lunghezze d'onda. I filtri integrati possono essere prodotti in grandi quantità a basso costo, ma in genere coprono una banda molto stretta dello spettro, così tanti devono essere combinati per filtrare in modo efficiente e selettivo porzioni più grandi dello spettro.

I ricercatori del Research Laboratory of Electronics del MIT hanno progettato il primo filtro su chip che, essenzialmente, corrisponde alla copertura a banda larga e alle prestazioni di precisione dei filtri ingombranti, ma può essere prodotto utilizzando i tradizionali metodi di fabbricazione dei chip di silicio.

"Questo nuovo filtro prende come input una gamma estremamente ampia di lunghezze d'onda all'interno della sua larghezza di banda e la separa in modo efficiente in due segnali di output, indipendentemente da quanto esattamente largo oa quale lunghezza d'onda sia l'input. Questa capacità non esisteva prima nell'ottica integrata, "dice l'emiro Salih Magden, un ex dottorato di ricerca studente del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) del MIT e primo autore di un articolo che descrive i filtri pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura .

Coautori di articoli insieme a Magden, che ora è assistente professore di ingegneria elettrica presso l'Università di Koç in Turchia, sono:Nanxi Li, uno studente laureato dell'Università di Harvard; e, del MIT, studente laureato Manan Raval; l'ex studente laureato Christopher V. Poulton; l'ex postdoc Alfonso Ruocco; socio postdottorato Neetesh Singh; l'ex ricercatore Diedrik Vermeulen; Erich Ippen, l'Elihu Thomson Professor in EECS e il Dipartimento di Fisica; Leslie Kolodziejski, un professore in EECS; e Michael Watts, un professore associato in EECS.

Dettare il flusso di luce

I ricercatori del MIT hanno progettato una nuova architettura di chip che imita i filtri dicroici in molti modi. Hanno creato due sezioni di guide d'onda in silicio di dimensioni precise e allineate (fino al nanometro) che convogliano lunghezze d'onda diverse in output diversi.

Le guide d'onda hanno sezioni trasversali rettangolari tipicamente costituite da un "nucleo" di materiale ad alto indice, il che significa che la luce viaggia lentamente attraverso di esso, circondato da un materiale a indice inferiore. Quando la luce incontra i materiali con indice più alto e più basso, tende a rimbalzare verso il materiale con indice più alto. Così, nella guida d'onda la luce rimane intrappolata, e viaggia lungo, il centro.

I ricercatori del MIT utilizzano guide d'onda per guidare con precisione l'ingresso della luce alle corrispondenti uscite del segnale. Una sezione del filtro dei ricercatori contiene una serie di tre guide d'onda, mentre l'altra sezione contiene una guida d'onda leggermente più ampia di una delle tre singole.

In un dispositivo che utilizza lo stesso materiale per tutte le guide d'onda, la luce tende a viaggiare lungo la guida d'onda più ampia. Modificando le larghezze nell'array di tre guide d'onda e gli spazi tra loro, i ricercatori le fanno apparire come un'unica guida d'onda più ampia, ma solo alla luce con lunghezze d'onda maggiori. Le lunghezze d'onda sono misurate in nanometri, e la regolazione di queste metriche della guida d'onda crea un "taglio, " intendendo il preciso nanometro di lunghezza d'onda al di sopra della quale la luce "vedrà" l'array di tre guide d'onda come una singola.

Nella carta, ad esempio, i ricercatori hanno creato una singola guida d'onda che misura 318 nanometri, e tre guide d'onda separate che misurano 250 nanometri ciascuna con spazi di 100 nanometri nel mezzo. Ciò corrispondeva a un cutoff di circa 1, 540 nanometri, che si trova nella regione dell'infrarosso. Quando un raggio di luce entrava nel filtro, lunghezze d'onda che misurano meno di 1, 540 nanometri potrebbero rilevare una guida d'onda larga da un lato e tre guide d'onda più strette dall'altro. Quelle lunghezze d'onda si muovono lungo la guida d'onda più ampia. Lunghezze d'onda maggiori di 1, 540 nanometri, però, non è possibile rilevare gli spazi tra tre guide d'onda separate. Anziché, rilevano una guida d'onda massiccia più ampia della singola guida d'onda, quindi spostatevi verso le tre guide d'onda.

"Che queste lunghe lunghezze d'onda non sono in grado di distinguere queste lacune, e vederli come un'unica guida d'onda, è metà del puzzle. L'altra metà sta progettando transizioni efficienti per instradare la luce attraverso queste guide d'onda verso le uscite, "dice Magda.

Il design consente anche un roll-off molto netto, misurato dalla precisione con cui un filtro divide un ingresso vicino al cutoff. Se il roll-off è graduale, un segnale di trasmissione desiderato va nell'uscita indesiderata. Un roll-off più nitido produce un segnale più pulito filtrato con una perdita minima. Nelle misurazioni, i ricercatori hanno scoperto che i loro filtri offrono roll-off da 10 a 70 volte più nitidi rispetto ad altri filtri a banda larga.

Come componente finale, i ricercatori hanno fornito linee guida per larghezze e spazi esatti delle guide d'onda necessarie per ottenere tagli diversi per lunghezze d'onda diverse. In quel modo, i filtri sono altamente personalizzabili per funzionare a qualsiasi gamma di lunghezze d'onda. "Una volta scelti i materiali da utilizzare, puoi determinare le dimensioni della guida d'onda necessarie e progettare un filtro simile per la tua piattaforma, "dice Magda.

Strumenti più affilati

Molti di questi filtri a banda larga possono essere implementati all'interno di un sistema per elaborare in modo flessibile segnali provenienti dall'intero spettro ottico, compresa la suddivisione e la pettinatura di segnali da più ingressi in più uscite.

Questo potrebbe aprire la strada a "pettini ottici" più affilati, "un'invenzione relativamente nuova che consiste in impulsi di luce a femtosecondi spaziati uniformemente (un quadrilionesimo di secondo) provenienti da tutto lo spettro della luce visibile, con alcune zone che abbracciano l'ultravioletto e l'infrarosso, che hanno come risultato migliaia di linee individuali di segnali a radiofrequenza che assomigliano a "denti". " di un pettine. I filtri ottici a banda larga sono fondamentali nella combinazione di diverse parti del pettine, che riduce il rumore del segnale indesiderato e produce denti a pettine molto fini a lunghezze d'onda esatte.

Poiché la velocità della luce è nota e costante, i denti del pettine possono essere usati come un righello per misurare la luce emessa o riflessa da oggetti per vari scopi. Una nuova promettente applicazione per i pettini sta alimentando "orologi ottici" per i satelliti GPS che potrebbero potenzialmente individuare la posizione di un utente di cellulare fino al centimetro o addirittura aiutare a rilevare meglio le onde gravitazionali. Il GPS funziona monitorando il tempo impiegato da un segnale per viaggiare da un satellite al telefono dell'utente. Altre applicazioni includono la spettroscopia ad alta precisione, abilitato da pettini ottici stabili che combinano diverse porzioni dello spettro ottico in un raggio, studiare le firme ottiche degli atomi, ioni, e altre particelle.

In queste e altre applicazioni, è utile disporre di filtri che coprono un'ampia gamma di e molto diverso, porzioni dello spettro ottico su un dispositivo.

"Una volta che avremo orologi davvero precisi con segnali ottici e a radiofrequenza nitidi, puoi ottenere un posizionamento e una navigazione più precisi, migliore qualità del recettore, e, con spettroscopia, avere accesso a fenomeni che prima non potevi misurare, "dice Magda.