Fourier-transform infraröd (FTIR) spektrometrar, bland de mest använda forskningsverktygen för att identifiera och analysera kemikalier, är för stora för att användas i fält för att upptäcka föreningar.

Flera försök har gjorts att utveckla miniatyriserade FTIR-spektrometrar för integration i drönare för att övervaka växthusgaser på distans, eller för integration i smartphones och andra enheter. Dock, nuvarande miniatyriserade enheter är dyra att tillverka.

Forskare vid University of Campinas's Device Research Laboratory (LPD-UNICAMP) i Brasilien, samarbetar med kollegor vid University of California San Diego i USA, har övervunnit dessa begränsningar genom att utveckla en FTIR-spektrometer baserad på kiselfotonik, tekniken som för närvarande används för att producera chips för datorer, smartphones och andra elektroniska enheter.

Studien leddes av Mário César Mendes Machado de Souza och en forskarpraktik utomlands, och publiceras i Naturkommunikation . Souza är artikelns huvudförfattare.

"Silicon photonics erbjuder en plattform för tillverkning av prisvärda högpresterande miniatyriserade spektrometrar, " han sa.

Enligt Souza, FTIR-spektroskopi identifierar kemikalier som använder en infraröd ljuskälla för att mäta absorption. Ett prov utsätts för olika våglängder av infrarött ljus, och spektrometern mäter vilka våglängder som absorberas. Datorn tar dessa råa absorptionsdata och genomför en matematisk process som kallas Fourier-transformen för att generera ett absorbansmönster eller spektrum, som jämförs med ett bibliotek av spektra för kemiska föreningar för att hitta en matchning.

Projekt har under de senaste åren försökt utveckla en FTIR-spektrometer baserad på integrerad fotonik, som använder ljus speciellt i det infraröda spektrumet, men framstegen har varit minimala på grund av flera tekniska utmaningar, Souza förklarade. En av dessa utmaningar är den mycket spridda profilen hos kiselvågledare, vilket innebär att varje våglängd färdas med olika hastighet i detta material och därför har ett annat brytningsindex.

Brytningsindexen för optiska vågledare i kisel kan "justeras" med hjälp av den termoptiska effekten, vilket innebär att en ström passerar över vågledaren för att värma upp den. Eftersom enheten måste användas vid höga temperaturer för att uppnå hög upplösning, denna teknik blir olinjär i den meningen att förändringar i temperatur korrelerar med oproportionerliga förändringar i brytningsindex.

"I praktiken, vad som händer när en termooptisk effekt appliceras på en kiselbaserad infraröd spektrometer med integrerad fotonik är att Fouriertransformens matematiska operationer som används för att konvertera insamlade strålningsspektrumdata ger helt felaktiga resultat, " förklarade Souza.

Forskarna övervann dessa utmaningar genom att skapa en laserkalibreringsmetod för att kvantifiera och korrigera förvrängningar orsakade av kiselvågledardispersion och icke-linjäritet. Som ett bevis på konceptet, de utvecklade ett 1 mm² FTIR-spektrometerchip baserat på standardförfaranden för tillverkning av kiselfotonik.

Chipet testades i laboratoriet, producerar ett bredbandsspektrum med en upplösning på 0,38 terahertz (THz), som är jämförbar med upplösningen hos kommersiellt tillgängliga bärbara spektrometrar som arbetar inom samma våglängdsområde, enligt forskarna. "Enheten vi utvecklade är långt ifrån optimerad men uppnår fortfarande upplösningar som är jämförbara med de portabla optikbaserade spektrometrarna för fritt utrymme som finns på marknaden idag, sa Souza.

Forskarna planerar nu att konstruera en enhet som är helt funktionell och integrerad med fotodetektorer, ljuskällor och optiska fibrer. "Vårt mål är att integrera ljuskällan och spektrometerns detektor i samma plattform, sa Souza.