Espectrómetros de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR), entre las herramientas de investigación más utilizadas para identificar y analizar sustancias químicas, son demasiado grandes para usarse en el campo para detectar compuestos.

Se han realizado varios intentos para desarrollar espectrómetros FTIR miniaturizados para su integración en drones para monitorear los gases de efecto invernadero de forma remota. o para la integración en teléfonos inteligentes y otros dispositivos. Sin embargo, Los dispositivos miniaturizados actuales son costosos de producir.

Científicos del Laboratorio de Investigación de Dispositivos de la Universidad de Campinas (LPD-UNICAMP) en Brasil, colaborando con colegas de la Universidad de California en San Diego en los Estados Unidos, han superado estas limitaciones mediante el desarrollo de un espectrómetro FTIR basado en fotónica de silicio, la tecnología que se utiliza actualmente para producir chips para computadoras, teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos.

El estudio fue dirigido por Mário César Mendes Machado de Souza y una pasantía de investigación en el extranjero, y publicado en Comunicaciones de la naturaleza . Souza es el autor principal del artículo.

"La fotónica de silicio ofrece una plataforma para la fabricación de espectrómetros miniaturizados de alto rendimiento asequibles, " él dijo.

Según Souza, La espectroscopia FTIR identifica sustancias químicas utilizando una fuente de luz infrarroja para medir la absorción. Una muestra se expone a diferentes longitudes de onda de luz infrarroja, y el espectrómetro mide qué longitudes de onda se absorben. La computadora toma estos datos de absorción sin procesar y lleva a cabo un proceso matemático conocido como la transformada de Fourier para generar un patrón o espectro de absorbancia. que se compara con una biblioteca de espectros de compuestos químicos para encontrar una coincidencia.

Los proyectos han intentado en los últimos años desarrollar un espectrómetro FTIR basado en fotónica integrada, que utiliza luz especialmente en el espectro infrarrojo, pero el progreso ha sido mínimo debido a varios desafíos técnicos, Souza explicó. Uno de estos desafíos es el perfil altamente dispersivo de las guías de ondas de silicio, lo que significa que cada longitud de onda viaja a una velocidad diferente en este material y, por lo tanto, tiene un índice de refracción diferente.

Los índices de refracción de las guías de ondas ópticas en silicio se pueden "sintonizar" mediante el efecto termoóptico, que implica pasar una corriente por la guía de ondas para calentarla. Debido a que el dispositivo debe operarse a altas temperaturas para lograr una alta resolución, esta técnica se vuelve no lineal en el sentido de que los cambios de temperatura se correlacionan con cambios desproporcionados en el índice de refracción.

"En la práctica, lo que sucede cuando se aplica un efecto termoóptico a un espectrómetro infrarrojo basado en silicio con fotónica integrada es que las operaciones matemáticas de la transformada de Fourier utilizadas para convertir los datos del espectro de radiación recopilados producen resultados completamente incorrectos, "Explicó Souza.

Los investigadores superaron estos desafíos mediante la creación de un método de calibración láser para cuantificar y corregir las distorsiones causadas por la dispersión y la no linealidad de la guía de ondas de silicio. Como prueba de concepto, desarrollaron un chip espectrómetro FTIR de 1 mm² basado en procedimientos estándar de fabricación de fotónica de silicio.

El chip fue probado en el laboratorio, produciendo un espectro de banda ancha con una resolución de 0,38 terahercios (THz), que es comparable con la resolución de los espectrómetros portátiles disponibles comercialmente que operan en el mismo rango de longitud de onda, según los investigadores. "El dispositivo que desarrollamos está lejos de estar optimizado, pero aún logra resoluciones comparables con las de los espectrómetros portátiles basados ​​en ópticas de espacio libre disponibles en el mercado hoy en día, "Dijo Souza.

Los investigadores ahora planean diseñar un dispositivo que sea totalmente funcional e integrado con fotodetectores, fuentes de luz y fibras ópticas. "Nuestro objetivo es integrar la fuente de luz y el detector del espectrómetro en la misma plataforma, "Dijo Souza.