MIT -forskare har utformat ett optiskt filter på ett chip som kan behandla optiska signaler från ett extremt brett spektrum av ljus på en gång, något som aldrig tidigare varit tillgängligt för integrerade optiksystem som behandlar data med hjälp av ljus. Tekniken kan erbjuda större precision och flexibilitet för design av optisk kommunikation och sensorsystem, studera fotoner och andra partiklar genom ultrasnabb teknik, och i andra applikationer.

Optiska filter används för att separera en ljuskälla i två separata utgångar:en reflekterar oönskade våglängder - eller färger - och den andra överför önskade våglängder. Instrument som kräver infraröd strålning, till exempel, kommer att använda optiska filter för att ta bort synligt ljus och få renare infraröda signaler.

Befintliga optiska filter, dock, har avvägningar och nackdelar. Diskreta (off-chip) "bredband" -filter, kallas dikroiska filter, bearbeta stora delar av ljusspektrumet men är stora, kan bli dyrt, och kräver många lager optiska beläggningar som reflekterar vissa våglängder. Integrerade filter kan produceras i stora mängder billigt, men de täcker vanligtvis ett mycket smalt band i spektrumet, så många måste kombineras för att effektivt och selektivt filtrera större delar av spektrumet.

Forskare från MIT:s forskningslaboratorium för elektronik har designat det första on-chip-filtret som, väsentligen, matchar bredbandstäckningen och precisionsprestandan hos de skrymmande filtren men kan tillverkas med traditionella tillverkningar av kiselchips.

"Det här nya filtret tar ett extremt brett våglängdsområde inom sin bandbredd som ingång och separerar det effektivt i två utsignaler, oavsett exakt hur bred eller vid vilken våglängd ingången är. Den förmågan fanns inte tidigare i integrerad optik, "säger Emir Salih Magden, en tidigare doktorand student vid MIT:s avdelning för elektroteknik och datavetenskap (EECS) och första författare på ett papper som beskriver filtren som publicerades idag i Naturkommunikation .

Papper medförfattare tillsammans med Magden, som nu är biträdande professor i elektroteknik vid Koç University i Turkiet, är:Nanxi Li, en doktorand vid Harvard University; och, från MIT, doktorand Manan Raval; tidigare doktorand Christopher V. Poulton; före detta postdoc Alfonso Ruocco; postdoc -associerad Neetesh Singh; tidigare forskare Diedrik Vermeulen; Erich Ippen, Elihu Thomson -professorn i EECS och Institutionen för fysik; Leslie Kolodziejski, en professor i EECS; och Michael Watts, docent i EECS.

Dikterar ljusflödet

MIT -forskarna utformade en ny chiparkitektur som efterliknar dikroiska filter på många sätt. De skapade två sektioner av exakt storlek och inriktade (ner till nanometern) kiselvågledare som lockar olika våglängder till olika utgångar.

Vågledare har rektangulära tvärsnitt som vanligtvis är gjorda av en "kärna" av material med högt index-vilket betyder att ljuset rör sig långsamt genom det-omgivet av ett material med lägre index. När ljus stöter på material med högre och lägre index, det tenderar att studsa mot materialet med högre index. Således, i vågledaren blir ljuset instängt, och reser med, kärnan.

MIT -forskarna använder vågledare för att exakt styra ljusinmatningen till motsvarande signalutgångar. En del av forskarnas filter innehåller en uppsättning av tre vågledare, medan den andra sektionen innehåller en vågledare som är något bredare än någon av de tre enskilda.

I en enhet som använder samma material för alla vågledare, ljus tenderar att färdas längs den bredaste vågledaren. Genom att justera bredderna i gruppen med tre vågledare och mellanrum mellan dem, forskarna får dem att se ut som en enda bredare vågledare, men bara till ljus med längre våglängder. Våglängder mäts i nanometer, och justering av dessa vågledarmätningar skapar en "cutoff, "vilket betyder den exakta nanometern för våglängd över vilken ljus kommer att" se "gruppen med tre vågledare som en enda.

I tidningen, till exempel, forskarna skapade en enda vågledare som mäter 318 nanometer, och tre separata vågledare som mäter 250 nanometer vardera med mellanrum på 100 nanometer emellan. Detta motsvarade en avstängning på cirka 1, 540 nanometer, som är i den infraröda regionen. När en ljusstråle kom in i filtret, våglängder som mäter mindre än 1, 540 nanometer kunde detektera en bred vågledare på ena sidan och tre smalare vågledare på den andra. Dessa våglängder rör sig längs den bredare vågledaren. Våglängder längre än 1, 540 nanometer, dock, kan inte detektera mellanslag mellan tre separata vågledare. Istället, de upptäcker en massiv vågledare som är bredare än den enda vågledaren, så rör dig mot de tre vågledarna.

"Att dessa långa våglängder inte kan skilja dessa luckor, och se dem som en enda vågledare, är hälften av pusslet. Den andra halvan designar effektiva övergångar för att leda ljus genom dessa vågledare mot utgångarna, "Säger Magden.

Designen möjliggör också en mycket skarp avrullning, mätt med hur exakt ett filter delar en ingång nära avstängningen. Om lanseringen sker gradvis, någon önskad överföringssignal går in i den oönskade utsignalen. Skarpare avrullning ger en renare signal filtrerad med minimal förlust. I mätningar, forskarna fann att deras filter erbjuder cirka 10 till 70 gånger skarpare roll-offs än andra bredbandsfilter.

Som en sista komponent, forskarna gav riktlinjer för exakta bredder och luckor i vågledarna som behövs för att uppnå olika avgränsningar för olika våglängder. På det sättet, filtren är mycket anpassningsbara för att fungera i alla våglängdsområden. "När du väl har valt vilket material du vill använda du kan bestämma nödvändiga vågledarmått och designa ett liknande filter för din egen plattform, "Säger Magden.

Vassare verktyg

Många av dessa bredbandsfilter kan implementeras i ett system för att flexibelt bearbeta signaler från hela det optiska spektrumet, inklusive delning och kammning av signaler från flera ingångar till flera utgångar.

Detta kan bana väg för skarpare "optiska kammar, "en relativt ny uppfinning som består av femtosekund med jämnt mellanrum (en kvadrillionde av en sekund) ljuspulser från hela det synliga ljusspektrumet-med några sträckande ultravioletta och infraröda zoner-vilket resulterar i tusentals individuella rader med radiofrekvenssignaler som liknar" tänder " "av en kam. Bredbandsoptiska filter är avgörande för att kombinera olika delar av kammen, vilket minskar oönskat signalbrus och ger mycket fina kamtänder vid exakta våglängder.

Eftersom ljusets hastighet är känd och konstant, kammens tänder kan användas som en linjal för att mäta ljus som avges eller reflekteras av föremål för olika ändamål. En lovande ny applikation för kammarna driver "optiska klockor" för GPS -satelliter som potentiellt kan identifiera en mobiltelefonanvändares plats ner till centimeter eller till och med hjälpa till att bättre upptäcka gravitationella vågor. GPS fungerar genom att spåra den tid det tar en signal att resa från en satellit till användarens telefon. Andra tillämpningar inkluderar spektroskopi med hög precision, möjliggörs av stabila optiska kammar som kombinerar olika delar av det optiska spektrumet till en stråle, att studera atoms optiska signaturer, joner, och andra partiklar.

I dessa applikationer och andra, det är bra att ha filter som täcker bred, och väldigt olika, delar av det optiska spektrumet på en enhet.

"När vi har riktigt exakta klockor med skarpa optiska och radiofrekventa signaler, du kan få mer exakt positionering och navigering, bättre receptorkvalitet, och, med spektroskopi, få tillgång till fenomen som du inte kunde mäta tidigare, "Säger Magden.