Les spectromètres - des appareils qui distinguent différentes longueurs d'onde de la lumière et sont utilisés pour déterminer la composition chimique de tout, des matériaux de laboratoire aux étoiles lointaines - sont de gros appareils avec des étiquettes de prix à six chiffres, et ont tendance à être trouvés dans les grands laboratoires ou observatoires universitaires et industriels.

Une nouvelle avancée des chercheurs du MIT pourrait permettre de produire de minuscules spectromètres tout aussi précis et puissants, mais qui pourraient être produits en série à l'aide de processus de fabrication de puces standard. Cette approche pourrait ouvrir de nouvelles utilisations de la spectrométrie qui étaient auparavant physiquement et financièrement impossibles.

L'invention est décrite aujourd'hui dans la revue Communication Nature , dans un article du professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux au MIT, Juejun Hu, doctorant Derek Kita, assistant de recherche Brando Miranda, et cinq autres.

Les chercheurs affirment que cette nouvelle approche de fabrication de spectromètres sur puce pourrait offrir des avantages majeurs en termes de performances, Taille, poids, et la consommation électrique, par rapport aux instruments actuels.

D'autres groupes ont essayé de fabriquer des spectromètres à puce, mais il y a un défi intégré :la capacité d'un appareil à diffuser la lumière en fonction de sa longueur d'onde, utilisant n'importe quel système optique conventionnel, dépend fortement de la taille de l'appareil. "Si vous le faites plus petit, les performances se dégradent, " dit Hu.

Un autre type de spectromètre utilise une approche mathématique appelée transformée de Fourier. Mais ces dispositifs sont toujours limités par la même contrainte de taille :de longs chemins optiques sont essentiels pour atteindre des performances élevées. Étant donné que les appareils hautes performances nécessitent de longs, longueurs de chemin optique accordables, les spectromètres miniaturisés ont traditionnellement été inférieurs à leurs homologues de paillasse.

Au lieu, "nous avons utilisé une technique différente, " explique Kita. Leur système est basé sur des commutateurs optiques, qui peut faire basculer instantanément un faisceau lumineux entre les différentes voies optiques, qui peut être de différentes longueurs. Ces commutateurs optiques entièrement électroniques éliminent le besoin de miroirs mobiles, qui sont requis dans les versions actuelles, et peut facilement être fabriqué à l'aide de la technologie de fabrication de puces standard.

En éliminant les pièces mobiles, Kita dit, "il y a un énorme avantage en termes de robustesse. Vous pouvez le laisser tomber de la table sans causer de dommages."

En utilisant des longueurs de chemin par incréments de puissance de deux, ces longueurs peuvent être combinées de différentes manières pour reproduire un nombre exponentiel de longueurs discrètes, conduisant ainsi à une résolution spectrale potentielle qui augmente de façon exponentielle avec le nombre de commutateurs optiques sur puce. C'est le même principe qui permet à une balance de mesurer avec précision une large gamme de poids en combinant juste un petit nombre de poids standard.

Comme preuve de concept, les chercheurs ont contracté un service de fabrication de semi-conducteurs aux normes de l'industrie pour construire un appareil avec six commutateurs séquentiels, produisant 64 canaux spectraux, avec une capacité de traitement intégrée pour contrôler l'appareil et traiter sa sortie. En étendant à 10 commutateurs, la résolution passerait à 1, 024 canaux. Ils ont conçu l'appareil comme une unité plug-and-play pouvant être facilement intégrée aux réseaux optiques existants.

L'équipe a également utilisé de nouvelles techniques d'apprentissage automatique pour reconstruire des spectres détaillés à partir d'un nombre limité de canaux. La méthode qu'ils ont développée fonctionne bien pour détecter les pics spectraux larges et étroits, dit Kita. Ils ont pu démontrer que ses performances correspondaient bien aux calculs, et ouvre ainsi un large éventail de développements potentiels pour diverses applications.

Les chercheurs disent que de tels spectromètres pourraient trouver des applications dans les dispositifs de détection, systèmes d'analyse de matériaux, la tomographie optique cohérente en imagerie médicale, et le suivi des performances des réseaux optiques, sur lesquels reposent la plupart des réseaux numériques d'aujourd'hui. Déjà, l'équipe a été contactée par certaines entreprises intéressées par les utilisations possibles de ces spectromètres à micropuce, avec leur promesse d'énormes avantages en taille, poids, et la consommation électrique, dit Kita. 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.