Les chercheurs de Columbia Engineering ont démontré, pour la première fois, un spectromètre à double peigne à puce dans le domaine de l'infrarouge moyen, qui ne nécessite aucune pièce mobile et peut acquérir des spectres en moins de 2 microsecondes. Le système, qui se compose de deux cohérents entre eux, faible bruit, peignes de fréquence à base de microrésonateurs allant de 2600 nm à 4100 nm, pourrait conduire au développement d'un laboratoire de spectroscopie sur puce pour la détection en temps réel à l'échelle de la nanoseconde.

"Nos résultats montrent la bande passante optique la plus large démontrée pour la spectroscopie à double peigne sur une plate-forme intégrée, " dit Alexandre Gaète, David M. Rickey Professeur de physique appliquée et de science des matériaux et auteur principal de l'étude, publié le 14 mai dans Communication Nature .

Création d'un dispositif de détection spectroscopique sur une puce qui peut réaliser en temps réel, la détection à haut débit de molécules traces a été un défi. Il y a quelques mois, équipes dirigées par Gaeta et Michal Lipson, Professeur Higgins de génie électrique, ont été les premiers à miniaturiser les peignes à double fréquence en mettant deux générateurs de peignes de fréquence sur une seule puce millimétrique. Ils ont travaillé sur l'élargissement de la plage de fréquences des doubles peignes, et sur l'augmentation de la résolution du spectromètre en ajustant les lignes du peigne.

Dans cette étude en cours, les chercheurs se sont concentrés sur la gamme moyen infrarouge (mid-IR), lequel, car sa forte absorption moléculaire est généralement de 10 à 1, 000 fois supérieures à celles dans le visible ou le proche infrarouge, est idéal pour la détection de molécules traces. La gamme IR moyen couvre efficacement "l'empreinte digitale" de nombreuses molécules.

L'équipe a effectué une spectroscopie à double peigne dans l'IR moyen en utilisant deux dispositifs nanophotoniques en silicium comme microrésonateurs. Leurs dispositifs intégrés ont permis la génération directe de lumière infrarouge moyen à large bande et des vitesses d'acquisition rapides pour caractériser l'absorption moléculaire.

"Notre travail est une avancée critique pour la spectroscopie à double peigne sur puce pour les études en phase liquide/solide, " a déclaré Mengjie Yu, auteur principal de l'article et titulaire d'un doctorat. étudiant dans le laboratoire de Gaeta. "Notre système optique à large bande à l'échelle de la puce, essentiellement un laboratoire photonique sur puce, est bien adapté à l'identification d'espèces chimiques et pourrait trouver un large éventail d'applications en chimie, biomédecine, science matérielle, et le contrôle des processus industriels."

L'étude s'intitule « Spectroscopie à double peigne à base de puces de silicium dans l'infrarouge moyen ».