En innovation, der åbner horisonter for fjernovervågning af drivhusgasser

Fourier-transform infrarøde (FTIR) spektrometre, blandt de mest anvendte forskningsværktøjer til at identificere og analysere kemikalier, er for store til at blive brugt i marken til at påvise forbindelser.

Der er gjort adskillige forsøg på at udvikle miniaturiserede FTIR-spektrometre til integration i droner til fjernovervågning af drivhusgasser, eller til integration i smartphones og andre enheder. Imidlertid, nuværende miniaturiserede enheder er dyre at producere.

Forskere ved University of Campinas's Device Research Laboratory (LPD-UNICAMP) i Brasilien, samarbejder med kolleger ved University of California San Diego i USA, har overvundet disse begrænsninger ved at udvikle et FTIR-spektrometer baseret på siliciumfotonik, den teknologi, der i øjeblikket bruges til at producere chips til computere, smartphones og andre elektroniske enheder.

Undersøgelsen blev ledet af Mário César Mendes Machado de Souza og et forskningspraktik i udlandet, og udgivet i Naturkommunikation . Souza er artiklens hovedforfatter.

"Silicon fotonik tilbyder en platform til fremstilling af prisbillige højtydende miniaturiserede spektrometre, " han sagde.

Ifølge Souza, FTIR-spektroskopi identificerer kemikalier ved hjælp af en infrarød lyskilde til at måle absorption. En prøve udsættes for forskellige bølgelængder af infrarødt lys, og spektrometeret måler hvilke bølgelængder der absorberes. Computeren tager disse rå absorptionsdata og udfører en matematisk proces kendt som Fourier-transformationen for at generere et absorbansmønster eller spektrum, som sammenlignes med et bibliotek af spektre for kemiske forbindelser for at finde et match.

Projekter har i de senere år forsøgt at udvikle et FTIR-spektrometer baseret på integreret fotonik, som bruger lys især i det infrarøde spektrum, men fremskridtet har været minimalt på grund af flere tekniske udfordringer, Souza forklarede. En af disse udfordringer er den meget dispersive profil af siliciumbølgeledere, hvilket betyder, at hver bølgelængde bevæger sig med en forskellig hastighed i dette materiale og derfor har et forskelligt brydningsindeks.

Brydningsindekserne for optiske bølgeledere i silicium kan "tunes" ved hjælp af den termo-optiske effekt, hvilket indebærer, at en strøm føres over bølgelederen for at opvarme den. Fordi enheden skal betjenes ved høje temperaturer for at opnå høj opløsning, denne teknik bliver ikke-lineær i den forstand, at ændringer i temperatur korrelerer med uforholdsmæssige ændringer i brydningsindekset.

"I praksis, hvad der sker, når en termo-optisk effekt påføres et siliciumbaseret infrarødt spektrometer med integreret fotonik er, at Fourier-transformationens matematiske operationer, der bruges til at konvertere de indsamlede strålingsspektrumdata, giver helt forkerte resultater, "Forklarede Souza.

Forskerne overvandt disse udfordringer ved at skabe en laserkalibreringsmetode til at kvantificere og korrigere forvrængningerne forårsaget af siliciumbølgelederdispersion og ikke-linearitet. Som et bevis på konceptet, de udviklede en 1 mm² FTIR-spektrometerchip baseret på standard siliciumfotonikfremstillingsprocedurer.

Chippen blev testet i laboratoriet, producerer et bredbåndsspektrum med en opløsning på 0,38 terahertz (THz), som er sammenlignelig med opløsningen af ​​kommercielt tilgængelige bærbare spektrometre, der opererer i samme bølgelængdeområde, ifølge forskerne. "Den enhed, vi udviklede, er langt fra optimeret, men opnår stadig opløsninger, der kan sammenlignes med opløsningerne for de bærbare optikbaserede spektrometre, der er tilgængelige på markedet i dag, " sagde Souza.

Forskerne planlægger nu at konstruere en enhed, der er fuldstændig funktionel og integreret med fotodetektorer, lyskilder og optiske fibre. "Vores mål er at integrere lyskilden og spektrometrets detektor i den samme platform, " sagde Souza.