Spectromètres infrarouges à transformée de Fourier (FTIR), parmi les outils de recherche les plus fréquemment utilisés pour identifier et analyser les produits chimiques, sont trop grandes pour être utilisées sur le terrain pour détecter des composés.

Plusieurs tentatives ont été faites pour développer des spectromètres FTIR miniaturisés à intégrer dans des drones pour surveiller à distance les gaz à effet de serre, ou pour l'intégration dans les smartphones et autres appareils. Cependant, les dispositifs miniaturisés actuels sont coûteux à produire.

Des scientifiques du Device Research Laboratory de l'Université de Campinas (LPD-UNICAMP) au Brésil, collaborer avec des collègues de l'Université de Californie à San Diego aux États-Unis, ont surmonté ces contraintes en développant un spectromètre FTIR basé sur la photonique silicium, la technologie actuellement utilisée pour produire des puces pour ordinateurs, smartphones et autres appareils électroniques.

L'étude a été dirigée par Mário César Mendes Machado de Souza et un stage de recherche à l'étranger, et publié dans Communication Nature . Souza est l'auteur principal de l'article.

"La photonique sur silicium offre une plate-forme pour la fabrication de spectromètres miniaturisés haute performance abordables, " il a dit.

Selon Souza, La spectroscopie FTIR identifie les produits chimiques à l'aide d'une source de lumière infrarouge pour mesurer l'absorption. Un échantillon est exposé à différentes longueurs d'onde de lumière infrarouge, et le spectromètre mesure quelles longueurs d'onde sont absorbées. L'ordinateur prend ces données d'absorption brutes et effectue un processus mathématique connu sous le nom de transformée de Fourier pour générer un modèle ou un spectre d'absorbance, qui est comparé à une bibliothèque de spectres de composés chimiques pour trouver une correspondance.

Des projets ont tenté ces dernières années de développer un spectromètre FTIR basé sur la photonique intégrée, qui utilise la lumière notamment dans le spectre infrarouge, mais les progrès ont été minimes en raison de plusieurs défis techniques, expliqua Souza. L'un de ces défis est le profil hautement dispersif des guides d'ondes en silicium, ce qui signifie que chaque longueur d'onde se déplace à une vitesse différente dans ce matériau et a donc un indice de réfraction différent.

Les indices de réfraction des guides d'ondes optiques en silicium peuvent être « accordés » au moyen de l'effet thermo-optique, qui consiste à faire passer un courant sur le guide d'onde afin de le chauffer. Étant donné que l'appareil doit fonctionner à des températures élevées pour obtenir une résolution élevée, cette technique devient non linéaire dans le sens où les changements de température sont en corrélation avec des changements disproportionnés de l'indice de réfraction.

"En pratique, ce qui se passe lorsqu'un effet thermo-optique est appliqué à un spectromètre infrarouge à base de silicium avec photonique intégrée, c'est que les opérations mathématiques de transformée de Fourier utilisées pour convertir les données de spectre de rayonnement collectées produisent des résultats complètement faux, " expliqua Souza.

Les chercheurs ont surmonté ces défis en créant une méthode d'étalonnage laser pour quantifier et corriger les distorsions causées par la dispersion et la non-linéarité des guides d'ondes en silicium. Comme preuve de concept, ils ont développé une puce de spectromètre FTIR de 1 mm² basée sur des procédures de fabrication photoniques sur silicium standard.

La puce a été testée en laboratoire, produire un spectre large bande avec une résolution de 0,38 térahertz (THz), qui est comparable à la résolution des spectromètres portables disponibles dans le commerce qui fonctionnent dans la même gamme de longueurs d'onde, selon les chercheurs. "L'appareil que nous avons développé est loin d'être optimisé mais atteint toujours des résolutions comparables à celles des spectromètres portables basés sur l'optique en espace libre disponibles sur le marché aujourd'hui, " a déclaré Souza.

Les chercheurs envisagent désormais de concevoir un appareil totalement fonctionnel et intégré à des photodétecteurs, sources lumineuses et fibres optiques. "Notre objectif est d'intégrer la source lumineuse et le détecteur du spectromètre dans une même plateforme, " a déclaré Souza.