Spektrometrar-enheter som skiljer olika våglängder av ljus och används för att bestämma den kemiska sammansättningen av allt från laboratoriematerial till avlägsna stjärnor-är stora enheter med sexsiffriga prislappar, och tenderar att finnas i stora universitets- och industrilaboratorier eller observatorier.

Ett nytt framsteg från forskare vid MIT kan göra det möjligt att producera små spektrometrar som är lika exakta och kraftfulla men som kan massproduceras med hjälp av vanliga chipsprocesser. Detta tillvägagångssätt kan öppna upp nya användningsområden för spektrometri som tidigare hade varit fysiskt och ekonomiskt omöjligt.

Uppfinningen beskrivs idag i tidskriften Naturkommunikation , i en uppsats av MIT docent i materialvetenskap och teknik Juejun Hu, doktorand Derek Kita, forskningsassistent Brando Miranda, och fem andra.

Forskarna säger att detta nya tillvägagångssätt för att göra spektrometrar på ett chip kan ge stora fördelar i prestanda, storlek, vikt, och strömförbrukning, jämfört med nuvarande instrument.

Andra grupper har försökt göra chipbaserade spektrometrar, men det finns en inbyggd utmaning:En enhets förmåga att sprida ut ljus baserat på dess våglängd, använder alla konventionella optiska system, är mycket beroende av enhetens storlek. "Om du gör det mindre, prestandan försämras, "Säger Hu.

En annan typ av spektrometer använder en matematisk metod som kallas en Fouriertransform. Men dessa enheter begränsas fortfarande av samma storleksbegränsning - långa optiska vägar är avgörande för att uppnå hög prestanda. Eftersom högpresterande enheter kräver lång, justerbara optiska banlängder, miniatyriserade spektrometrar har traditionellt varit sämre jämfört med sina bänkskivor.

Istället, "Vi använde en annan teknik, "säger Kita. Deras system är baserat på optiska switchar, som omedelbart kan vända en ljusstråle mellan de olika optiska vägarna, som kan ha olika längder. Dessa helelektroniska optiska omkopplare eliminerar behovet av rörliga speglar, som krävs i de nuvarande versionerna, och kan enkelt tillverkas med standardteknik för chipframställning.

Genom att eliminera de rörliga delarna, Kita säger, "Det finns en enorm fördel när det gäller robusthet. Du kan släppa det från bordet utan att orsaka några skador."

Genom att använda banlängder i steg om två dessa längder kan kombineras på olika sätt för att replikera ett exponentiellt antal diskreta längder, vilket leder till en potentiell spektral upplösning som ökar exponentiellt med antalet optiska switchar på chip. Det är samma princip som gör att en balansvåg kan mäta ett brett spektrum av vikter exakt genom att kombinera bara ett litet antal standardvikter.

Som ett bevis på konceptet, forskarna anlitade en industriell standard halvledartillverkningstjänst för att bygga en enhet med sex sekventiella switchar, producerar 64 spektralkanaler, med inbyggd bearbetningskapacitet för att styra enheten och bearbeta dess utmatning. Genom att expandera till 10 switchar, upplösningen skulle hoppa till 1, 024 kanaler. De utformade enheten som en plug-and-play-enhet som enkelt kunde integreras med befintliga optiska nätverk.

Teamet använde också nya maskininlärningstekniker för att rekonstruera detaljerade spektra från ett begränsat antal kanaler. Metoden de utvecklade fungerar bra för att upptäcka både breda och smala spektraltoppar, Säger Kita. De kunde visa att dess prestanda verkligen stämde överens med beräkningarna, och öppnar därmed ett brett spektrum av potentiell vidareutveckling för olika applikationer.

Forskarna säger att sådana spektrometrar kan hitta applikationer i sensorer, materialanalyssystem, optisk koherent tomografi vid medicinsk bildbehandling, och övervaka prestanda för optiska nätverk, som de flesta av dagens digitala nätverk förlitar sig på. Redan, laget har kontaktats av några företag som är intresserade av möjliga användningsområden för sådana mikrochipspektrometrar, with their promise of huge advantages in size, weight, och strömförbrukning, Kita says. There is also interest in applications for real-time monitoring of industrial processes, Hu adds, as well as for environmental sensing for industries such as oil and gas.