Los espectrómetros, dispositivos que distinguen diferentes longitudes de onda de luz y se utilizan para determinar la composición química de todo, desde materiales de laboratorio hasta estrellas distantes, son dispositivos grandes con etiquetas de precio de seis cifras. y tienden a encontrarse en grandes laboratorios u observatorios de universidades e industrias.

Un nuevo avance de los investigadores del MIT podría hacer posible producir pequeños espectrómetros que son igual de precisos y potentes, pero que podrían producirse en masa utilizando procesos estándar de fabricación de chips. Este enfoque podría abrir nuevos usos para la espectrometría que anteriormente hubieran sido física y financieramente imposibles.

La invención se describe hoy en la revista. Comunicaciones de la naturaleza , en un artículo del profesor asociado de ciencia e ingeniería de materiales del MIT, Juejun Hu, estudiante de doctorado Derek Kita, asistente de investigación Brando Miranda, y otros cinco.

Los investigadores dicen que este nuevo enfoque para fabricar espectrómetros en un chip podría proporcionar importantes ventajas en el rendimiento. Talla, peso, y consumo de energía, en comparación con los instrumentos actuales.

Otros grupos han intentado fabricar espectrómetros basados ​​en chips, pero hay un desafío incorporado:la capacidad de un dispositivo para difundir la luz en función de su longitud de onda, utilizando cualquier sistema óptico convencional, depende en gran medida del tamaño del dispositivo. "Si lo haces más pequeño, el rendimiento se degrada, "Hu dice.

Otro tipo de espectrómetro utiliza un enfoque matemático llamado transformada de Fourier. Pero estos dispositivos siguen estando limitados por la misma restricción de tamaño:las trayectorias ópticas largas son esenciales para lograr un alto rendimiento. Dado que los dispositivos de alto rendimiento requieren longitudes de trayectoria óptica sintonizables, Los espectrómetros miniaturizados han sido tradicionalmente inferiores en comparación con sus homólogos de sobremesa.

En lugar de, "utilizamos una técnica diferente, "dice Kita. Su sistema se basa en interruptores ópticos, que puede girar instantáneamente un haz de luz entre las diferentes vías ópticas, que pueden ser de diferentes longitudes. Estos interruptores ópticos totalmente electrónicos eliminan la necesidad de espejos móviles, que se requieren en las versiones actuales, y se puede fabricar fácilmente utilizando tecnología estándar de fabricación de chips.

Eliminando las partes móviles, Kita dice, "Hay un gran beneficio en términos de robustez. Podría dejarlo de la mesa sin causar ningún daño".

Mediante el uso de longitudes de ruta en incrementos de potencia de dos, estas longitudes se pueden combinar de diferentes formas para replicar un número exponencial de longitudes discretas, lo que conduce a una resolución espectral potencial que aumenta exponencialmente con el número de conmutadores ópticos en el chip. Es el mismo principio que permite que una balanza mida con precisión una amplia gama de pesos combinando solo una pequeña cantidad de pesos estándar.

Como prueba de concepto, los investigadores contrataron un servicio de fabricación de semiconductores estándar de la industria para construir un dispositivo con seis interruptores secuenciales, produciendo 64 canales espectrales, con capacidad de procesamiento incorporada para controlar el dispositivo y procesar su salida. Al expandirse a 10 conmutadores, la resolución saltaría a 1, 024 canales. Diseñaron el dispositivo como una unidad plug-and-play que podría integrarse fácilmente con las redes ópticas existentes.

El equipo también utilizó nuevas técnicas de aprendizaje automático para reconstruir espectros detallados de un número limitado de canales. El método que desarrollaron funciona bien para detectar picos espectrales anchos y estrechos, Dice Kita. Pudieron demostrar que su rendimiento realmente coincidía con los cálculos, y por lo tanto abre una amplia gama de desarrollo potencial para diversas aplicaciones.

Los investigadores dicen que estos espectrómetros podrían encontrar aplicaciones en dispositivos de detección, sistemas de análisis de materiales, tomografía óptica coherente en imágenes médicas, y monitorear el desempeño de las redes ópticas, en el que se basan la mayoría de las redes digitales actuales. Ya, el equipo ha sido contactado por algunas empresas interesadas en los posibles usos de dichos espectrómetros de microchip, con su promesa de enormes ventajas en tamaño, peso, y consumo de energía, Dice Kita. También hay interés en aplicaciones para la monitorización en tiempo real de procesos industriales, Hu adds, as well as for environmental sensing for industries such as oil and gas.