On-chip optisk filter behandler en lang række lysbølgelængder

MIT-forskere har designet et optisk filter på en chip, der kan behandle optiske signaler fra et ekstremt bredt lysspektrum på én gang, noget aldrig før tilgængeligt for integrerede optiksystemer, der behandler data ved hjælp af lys. Teknologien kan tilbyde større præcision og fleksibilitet til design af optisk kommunikation og sensorsystemer, studere fotoner og andre partikler gennem ultrahurtige teknikker, og i andre applikationer.

Optiske filtre bruges til at adskille en lyskilde til to separate udgange:den ene afspejler uønskede bølgelængder - eller farver - og den anden sender ønskede bølgelængder. Instrumenter, der kræver infrarød stråling, for eksempel, vil bruge optiske filtre til at fjerne synligt lys og få renere infrarøde signaler.

Eksisterende optiske filtre, imidlertid, har afvejninger og ulemper. Diskrete (off-chip) "bredbånds" filtre, kaldet dikroiske filtre, behandle brede dele af lysspektret, men er store, kan være dyrt, og kræver mange lag optiske belægninger, der afspejler bestemte bølgelængder. Integrerede filtre kan produceres i store mængder billigt, men de dækker typisk et meget smalt bånd af spektret, så mange skal kombineres for effektivt og selektivt at filtrere større dele af spektret.

Forskere fra MIT's Research Laboratory of Electronics har designet det første on-chip filter, der, i det væsentlige, matcher bredbåndsdækningen og præcisionsydelsen af ​​de voluminøse filtre, men kan fremstilles ved hjælp af traditionelle silicium-chip fremstillingsmetoder.

"Dette nye filter tager et ekstremt bredt område af bølgelængder inden for sin båndbredde som input og adskiller det effektivt i to udgangssignaler, uanset præcis hvor bred eller med hvilken bølgelængde inputtet er. Denne kapacitet eksisterede ikke før i integreret optik, " siger Emir Salih Magden, en tidligere ph.d. studerende på MIT's afdeling for elektroteknik og datalogi (EECS) og første forfatter på et papir, der beskriver de filtre, der blev offentliggjort i dag i Naturkommunikation .

Paper medforfattere sammen med Magden, som nu er adjunkt i elektroteknik ved Koç University i Tyrkiet, er:Nanxi Li, en Harvard University kandidatstuderende; og, fra MIT, kandidatstuderende Manan Raval; tidligere kandidatstuderende Christopher V. Poulton; tidligere postdoc Alfonso Ruocco; postdoc -associeret Neetesh Singh; tidligere forsker Diedrik Vermeulen; Erich Ippen, Elihu Thomson -professoren i EECS og Institut for Fysik; Leslie Kolodziejski, en professor i EECS; og Michael Watts, lektor i EECS.

Dikterer lysets strøm

MIT -forskerne designede en ny chiparkitektur, der efterligner dikroiske filtre på mange måder. De skabte to sektioner af præcist størrelse og justeret (ned til nanometer) siliciumbølgeledere, der lokker forskellige bølgelængder til forskellige output.

Bølgeledere har rektangulære tværsnit, der typisk er lavet af en "kerne" af materiale med højt indeks-hvilket betyder, at lys bevæger sig langsomt gennem det-omgivet af et materiale med lavere indeks. Når lys støder på materialer med højere og lavere indeks, det har en tendens til at hoppe mod materialet med højere indeks. Dermed, i bølgelederen bliver lyset fanget, og rejser med, kernen.

MIT -forskerne bruger bølgeledere til præcist at lede lysindgangen til de tilsvarende signaludgange. Et afsnit af forskernes filter indeholder en matrix med tre bølgeledere, mens den anden sektion indeholder en bølgeleder, der er lidt bredere end nogen af ​​de tre individuelle.

I en enhed, der bruger det samme materiale til alle bølgeledere, lys har en tendens til at rejse langs den bredeste bølgeleder. Ved at justere bredderne i rækken af ​​tre bølgeledere og mellemrum mellem dem, forskerne får dem til at fremstå som en enkelt bredere bølgeleder, men kun til lys med længere bølgelængder. Bølgelængder måles i nanometer, og justering af disse bølgeleder -metrik skaber en "cutoff, "hvilket betyder den præcise nanometer af bølgelængde, over hvilken lys vil" se "rækken af ​​tre bølgeledere som en enkelt.

I avisen, for eksempel, forskerne skabte en enkelt bølgeleder, der målte 318 nanometer, og tre separate bølgeledere, der måler 250 nanometer hver med mellemrum på 100 nanometer. Dette svarede til en cutoff på omkring 1, 540 nanometer, som er i det infrarøde område. Da en lysstråle kom ind i filteret, bølgelængder, der måler mindre end 1, 540 nanometer kunne registrere en bred bølgeleder på den ene side og tre smallere bølgeledere på den anden. Disse bølgelængder bevæger sig langs den bredere bølgeleder. Bølgelængder længere end 1, 540 nanometer, imidlertid, kan ikke registrere mellemrum mellem tre separate bølgeledere. I stedet, de registrerer en massiv bølgeleder bredere end den enkelte bølgeleder, så bevæg dig mod de tre bølgeledere.

"At disse lange bølgelængder ikke er i stand til at skelne mellem disse huller, og se dem som en enkelt bølgeleder, er halvdelen af ​​puslespillet. Den anden halvdel designer effektive overgange til at dirigere lys gennem disse bølgeledere mod output, ”Siger Magden.

Designet giver også mulighed for en meget skarp afrulning, målt ved, hvor præcist et filter opdeler et input nær cutoff. Hvis afviklingen er gradvis, noget ønsket transmissionssignal går ind i den uønskede udgang. Skarpere afrulning giver et renere signal filtreret med minimalt tab. I målinger, forskerne fandt, at deres filtre tilbyder omkring 10 til 70 gange skarpere afrullinger end andre bredbåndsfiltre.

Som en sidste komponent, forskerne gav retningslinjer for nøjagtige bredder og huller i bølgelederne, der er nødvendige for at opnå forskellige afskæringer for forskellige bølgelængder. På den måde, filtrene er meget tilpasselige til at arbejde i ethvert bølgelængdeområde. "Når du har valgt, hvilke materialer du vil bruge, du kan bestemme de nødvendige bølgelederdimensioner og designe et lignende filter til din egen platform, ”Siger Magden.

Skarpere værktøjer

Mange af disse bredbåndsfiltre kan implementeres i ét system til fleksibelt at behandle signaler fra hele det optiske spektrum, herunder opdeling og kæmning af signaler fra flere indgange til flere udgange.

Dette kunne bane vejen for skarpere "optiske kamme, "en relativt ny opfindelse bestående af femtosekund med ensartet afstand (en kvadrillionendedel af et sekund) lyspulser fra hele det synlige lysspektrum-med nogle spændende ultraviolette og infrarøde zoner-hvilket resulterer i tusindvis af individuelle linjer af radiofrekvenssignaler, der ligner" tænder " " af en kam. Bredbåndsoptiske filtre er afgørende for at kombinere forskellige dele af kammen, hvilket reducerer uønsket signalstøj og producerer meget fine kamtænder ved nøjagtige bølgelængder.

Fordi lysets hastighed er kendt og konstant, kamens tænder kan bruges som en lineal til at måle lys udsendt eller reflekteret af objekter til forskellige formål. En lovende ny applikation til kamme driver "optiske ure" til GPS -satellitter, der potentielt kan identificere en mobiltelefonbrugeres placering ned til centimeter eller endda hjælpe med bedre at opdage gravitationsbølger. GPS fungerer ved at spore den tid, det tager et signal at rejse fra en satellit til brugerens telefon. Andre applikationer omfatter højpræcisionsspektroskopi, muliggjort af stabile optiske kamme, der kombinerer forskellige dele af det optiske spektrum til en stråle, at studere de optiske signaturer af atomer, ioner, og andre partikler.

I disse applikationer og andre, det er nyttigt at have filtre, der dækker bredt, og meget forskellige, dele af det optiske spektrum på en enhed.

"Når vi har virkelig præcise ure med skarpe optiske og radiofrekvente signaler, du kan få mere præcis positionering og navigation, bedre receptorkvalitet, og, med spektroskopi, få adgang til fænomener, du ikke kunne måle før, ”Siger Magden.