Des chercheurs du MIT ont conçu un filtre optique sur une puce capable de traiter simultanément des signaux optiques provenant d'un spectre de lumière extrêmement large. quelque chose de jamais disponible pour les systèmes optiques intégrés qui traitent les données à l'aide de la lumière. La technologie peut offrir une plus grande précision et flexibilité pour la conception de systèmes de communication optique et de capteurs, étudier les photons et autres particules par des techniques ultrarapides, et dans d'autres applications.

Les filtres optiques sont utilisés pour séparer une source lumineuse en deux sorties distinctes :l'une reflète les longueurs d'onde ou les couleurs indésirables et l'autre transmet les longueurs d'onde souhaitées. Instruments nécessitant un rayonnement infrarouge, par exemple, utilisera des filtres optiques pour éliminer toute lumière visible et obtenir des signaux infrarouges plus propres.

Filtres optiques existants, cependant, avoir des compromis et des inconvénients. Filtres "large bande" discrets (hors puce), appelés filtres dichroïques, traiter de larges portions du spectre lumineux mais sont grandes, peut être cher, et nécessitent de nombreuses couches de revêtements optiques qui reflètent certaines longueurs d'onde. Les filtres intégrés peuvent être produits en grande quantité à moindre coût, mais ils couvrent généralement une bande très étroite du spectre, tant d'entre eux doivent être combinés pour filtrer efficacement et sélectivement de plus grandes portions du spectre.

Des chercheurs du Laboratoire de recherche en électronique du MIT ont conçu le premier filtre sur puce qui, essentiellement, correspond à la couverture à large bande et aux performances de précision des filtres encombrants, mais peut être fabriqué à l'aide de méthodes de fabrication de puces de silicium traditionnelles.

"Ce nouveau filtre prend en entrée une gamme extrêmement large de longueurs d'onde dans sa bande passante et le sépare efficacement en deux signaux de sortie, indépendamment de la largeur exacte ou de la longueur d'onde de l'entrée. Cette capacité n'existait pas auparavant dans l'optique intégrée, " dit l'émir Salih Magden, un ancien Ph.D. étudiant au Département de génie électrique et informatique (EECS) du MIT et premier auteur d'un article décrivant les filtres publié aujourd'hui dans Communication Nature .

Co-auteurs de l'article avec Magden, qui est maintenant professeur assistant en génie électrique à l'Université de Koç en Turquie, sont :Nanxi Li, un étudiant diplômé de l'Université Harvard; et, du MIT, étudiante diplômée Manan Raval; ancien étudiant diplômé Christopher V. Poulton; l'ancien postdoctorant Alfonso Ruocco; l'associé postdoctoral Neetesh Singh; l'ancien chercheur Diedrik Vermeulen; Erich Ippen, le professeur Elihu Thomson à l'EECS et au département de physique; Leslie Kolodziejski, un professeur en EECS; et Michael Watts, professeur agrégé à l'EECS.

Dicter le flux de lumière

Les chercheurs du MIT ont conçu une nouvelle architecture de puce qui imite les filtres dichroïques de plusieurs manières. Ils ont créé deux sections de guides d'ondes en silicium précisément dimensionnés et alignés (jusqu'au nanomètre) qui amènent différentes longueurs d'onde dans différentes sorties.

Les guides d'ondes ont des sections transversales rectangulaires généralement constituées d'un "noyau" de matériau à indice élevé - ce qui signifie que la lumière le traverse lentement - entouré d'un matériau à indice inférieur. Lorsque la lumière rencontre les matériaux à indice supérieur et inférieur, il a tendance à rebondir vers le matériau à indice plus élevé. Ainsi, dans le guide d'ondes, la lumière est piégée, et voyage le long, le noyau.

Les chercheurs du MIT utilisent des guides d'ondes pour guider avec précision l'entrée de lumière vers les sorties de signal correspondantes. Une section du filtre des chercheurs contient un réseau de trois guides d'ondes, tandis que l'autre section contient un guide d'ondes légèrement plus large que l'un des trois.

Dans un dispositif utilisant le même matériau pour tous les guides d'ondes, la lumière a tendance à voyager le long du guide d'ondes le plus large. En ajustant les largeurs dans le réseau de trois guides d'ondes et les espaces entre eux, les chercheurs les font apparaître comme un seul guide d'ondes plus large, mais seulement pour éclairer avec des longueurs d'onde plus longues. Les longueurs d'onde sont mesurées en nanomètres, et l'ajustement de ces métriques de guide d'ondes crée une « coupure, " c'est-à-dire le nanomètre précis de longueur d'onde au-dessus duquel la lumière " verra " le réseau de trois guides d'ondes comme un seul.

Dans le journal, par exemple, les chercheurs ont créé un guide d'onde unique mesurant 318 nanomètres, et trois guides d'ondes séparés mesurant 250 nanomètres chacun avec des écarts de 100 nanomètres entre eux. Cela correspondait à une coupure d'environ 1, 540 nanomètres, qui est dans la région infrarouge. Lorsqu'un faisceau lumineux pénètre dans le filtre, longueurs d'onde inférieures à 1, 540 nanomètres pourraient détecter un guide d'ondes large d'un côté et trois guides d'ondes plus étroits de l'autre. Ces longueurs d'onde se déplacent le long du guide d'ondes plus large. Longueurs d'onde supérieures à 1, 540 nanomètres, cependant, ne peut pas détecter les espaces entre trois guides d'ondes distincts. Au lieu, ils détectent un guide d'onde massif plus large que le guide d'onde unique, alors déplacez-vous vers les trois guides d'ondes.

« Que ces grandes longueurs d'onde sont incapables de distinguer ces lacunes, et les voir comme un seul guide d'ondes, est la moitié du puzzle. L'autre moitié consiste à concevoir des transitions efficaces pour acheminer la lumière à travers ces guides d'ondes vers les sorties, " dit Magden.

La conception permet également un roll-off très net, mesuré par la précision avec laquelle un filtre divise une entrée près de la coupure. Si le roll-off est progressif, un certain signal de transmission souhaité entre dans la sortie non souhaitée. Une atténuation plus nette produit un signal plus propre filtré avec une perte minimale. Dans les mesures, les chercheurs ont découvert que leurs filtres offrent des atténuations environ 10 à 70 fois plus nettes que les autres filtres à large bande.

En tant que composant final, les chercheurs ont fourni des lignes directrices pour les largeurs et les écarts exacts des guides d'ondes nécessaires pour obtenir différentes coupures pour différentes longueurs d'onde. De cette façon, les filtres sont hautement personnalisables pour fonctionner dans n'importe quelle gamme de longueurs d'onde. « Une fois que vous avez choisi les matériaux à utiliser, vous pouvez déterminer les dimensions de guide d'ondes nécessaires et concevoir un filtre similaire pour votre propre plate-forme, " dit Magden.

Des outils plus tranchants

Un grand nombre de ces filtres à large bande peuvent être mis en œuvre au sein d'un système pour traiter de manière flexible les signaux de l'ensemble du spectre optique, y compris la division et le peignage des signaux de plusieurs entrées en plusieurs sorties.

Cela pourrait ouvrir la voie à des "peignes optiques" plus nets, " une invention relativement nouvelle consistant en des impulsions de lumière femtosecondes (un quadrillionième de seconde) uniformément espacées de tout le spectre de la lumière visible - avec certaines zones ultraviolettes et infrarouges - résultant en des milliers de lignes individuelles de signaux radiofréquence qui ressemblent à des " dents " d'un peigne. Les filtres optiques à large bande sont essentiels pour combiner différentes parties du peigne, qui réduit le bruit de signal indésirable et produit des dents de peigne très fines à des longueurs d'onde exactes.

Parce que la vitesse de la lumière est connue et constante, les dents du peigne peuvent être utilisées comme une règle pour mesurer la lumière émise ou réfléchie par des objets à diverses fins. Une nouvelle application prometteuse pour les peignes alimente des "horloges optiques" pour les satellites GPS qui pourraient potentiellement localiser l'emplacement d'un utilisateur de téléphone portable au centimètre près ou même aider à mieux détecter les ondes gravitationnelles. Le GPS fonctionne en suivant le temps qu'il faut à un signal pour se rendre d'un satellite au téléphone de l'utilisateur. D'autres applications incluent la spectroscopie de haute précision, activé par des peignes optiques stables combinant différentes parties du spectre optique en un seul faisceau, étudier les signatures optiques des atomes, ions, et d'autres particules.

Dans ces applications et d'autres, il est utile d'avoir des filtres qui couvrent un large éventail, et très différent, parties du spectre optique sur un seul appareil.

« Une fois que nous aurons des horloges vraiment précises avec des signaux optiques et radiofréquences précis, vous pouvez obtenir un positionnement et une navigation plus précis, meilleure qualité de réception, et, avec spectroscopie, accéder à des phénomènes que vous ne pouviez pas mesurer auparavant, " dit Magden.