Os pesquisadores do MIT projetaram um filtro óptico em um chip que pode processar sinais ópticos de um espectro extremamente amplo de luz de uma só vez, algo nunca antes disponível para sistemas óticos integrados que processam dados usando luz. A tecnologia pode oferecer maior precisão e flexibilidade para o projeto de comunicação óptica e sistemas de sensores, estudar fótons e outras partículas por meio de técnicas ultrarrápidas, e em outras aplicações.

Filtros ópticos são usados ​​para separar uma fonte de luz em duas saídas separadas:uma reflete comprimentos de onda indesejados - ou cores - e a outra transmite os comprimentos de onda desejados. Instrumentos que requerem radiação infravermelha, por exemplo, usará filtros ópticos para remover qualquer luz visível e obter sinais infravermelhos mais limpos.

Filtros ópticos existentes, Contudo, têm vantagens e desvantagens. Filtros de "banda larga" discretos (fora do chip), chamados filtros dicróicos, processam grandes porções do espectro de luz, mas são grandes, pode ser caro, e requerem muitas camadas de revestimentos ópticos que refletem certos comprimentos de onda. Filtros integrados podem ser produzidos em grandes quantidades de forma barata, mas eles normalmente cobrem uma banda muito estreita do espectro, muitos devem ser combinados para filtrar de forma eficiente e seletiva porções maiores do espectro.

Pesquisadores do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT projetaram o primeiro filtro on-chip que, essencialmente, corresponde à cobertura de banda larga e desempenho de precisão dos filtros volumosos, mas pode ser fabricado usando métodos tradicionais de fabricação de chips de silício.

"Este novo filtro pega uma faixa extremamente ampla de comprimentos de onda dentro de sua largura de banda como entrada e o separa de forma eficiente em dois sinais de saída, independentemente da largura exata ou do comprimento de onda da entrada. Essa capacidade não existia antes na óptica integrada, "diz Emir Salih Magden, um ex-Ph.D. estudante do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT e primeiro autor em um artigo que descreve os filtros publicado hoje em Nature Communications .

Co-autores do artigo junto com Magden, que agora é professor assistente de engenharia elétrica na Universidade Koç, na Turquia, são:Nanxi Li, um estudante de graduação da Universidade de Harvard; e, do MIT, o estudante de graduação Manan Raval; o ex-aluno de graduação Christopher V. Poulton; o ex-pós-doutorado Alfonso Ruocco; associado de pós-doutorado Neetesh Singh; o ex-cientista pesquisador Diedrik Vermeulen; Erich Ippen, o Professor Elihu Thomson na EECS e no Departamento de Física; Leslie Kolodziejski, professor em EECS; e Michael Watts, um professor associado em EECS.

Ditando o fluxo de luz

Os pesquisadores do MIT projetaram uma nova arquitetura de chip que imita filtros dicróicos de várias maneiras. Eles criaram duas seções de guias de onda de silício precisamente dimensionados e alinhados (até o nanômetro) que induzem diferentes comprimentos de onda em diferentes saídas.

Os guias de onda têm seções transversais retangulares normalmente feitas de um "núcleo" de material de alto índice - o que significa que a luz viaja lentamente através dele - cercado por um material de índice inferior. Quando a luz encontra os materiais de índice superior e inferior, ele tende a saltar em direção ao material de índice mais alto. Assim, no guia de ondas, a luz fica presa, e viaja junto, o nucleo.

Os pesquisadores do MIT usam guias de onda para orientar com precisão a entrada de luz para as saídas de sinal correspondentes. Uma seção do filtro dos pesquisadores contém uma série de três guias de onda, enquanto a outra seção contém um guia de ondas um pouco mais largo do que qualquer um dos três individuais.

Em um dispositivo que usa o mesmo material para todos os guias de onda, a luz tende a viajar ao longo do guia de ondas mais largo. Ajustando as larguras na matriz de três guias de ondas e lacunas entre eles, os pesquisadores os fazem aparecer como um único guia de onda mais amplo, mas apenas para luz com comprimentos de onda mais longos. Os comprimentos de onda são medidos em nanômetros, e ajustar essas métricas de guia de ondas cria um "corte, "significando o nanômetro preciso de comprimento de onda acima do qual a luz" verá "o conjunto de três guias de ondas como um único.

No papel, por exemplo, os pesquisadores criaram um único guia de ondas medindo 318 nanômetros, e três guias de ondas separados medindo 250 nanômetros cada, com intervalos de 100 nanômetros entre eles. Isso correspondeu a um corte de cerca de 1, 540 nanômetros, que está na região do infravermelho. Quando um feixe de luz entrou no filtro, comprimentos de onda medindo menos de 1, 540 nanômetros podem detectar um guia de onda largo de um lado e três guias de onda mais estreitos do outro. Esses comprimentos de onda se movem ao longo do guia de ondas mais amplo. Comprimentos de onda maiores que 1, 540 nanômetros, Contudo, não pode detectar espaços entre três guias de onda separados. Em vez de, eles detectam um guia de ondas massivo mais amplo do que o único guia de ondas, então vá em direção aos três guias de ondas.

"Que esses comprimentos de onda longos são incapazes de distinguir essas lacunas, e vê-los como um único guia de ondas, é metade do quebra-cabeça. A outra metade é projetar transições eficientes para direcionar a luz através desses guias de ondas em direção às saídas, "Magden diz.

O design também permite um roll-off muito preciso, medido pela precisão com que um filtro divide uma entrada perto do corte. Se o roll-off for gradual, algum sinal de transmissão desejado vai para a saída indesejada. Uma filtragem mais nítida produz um sinal mais limpo, filtrado com perda mínima. Em medições, os pesquisadores descobriram que seus filtros oferecem roll-offs cerca de 10 a 70 vezes mais nítidos do que outros filtros de banda larga.

Como um componente final, os pesquisadores forneceram diretrizes para larguras e lacunas exatas dos guias de onda necessários para atingir diferentes pontos de corte para diferentes comprimentos de onda. Dessa forma, os filtros são altamente personalizáveis ​​para funcionar em qualquer faixa de comprimento de onda. "Depois de escolher quais materiais usar, você pode determinar as dimensões necessárias do guia de ondas e projetar um filtro semelhante para sua própria plataforma, "Magden diz.

Ferramentas mais nítidas

Muitos desses filtros de banda larga podem ser implementados dentro de um sistema para processar sinais de forma flexível de todo o espectro óptico, incluindo a divisão e combinação de sinais de várias entradas em várias saídas.

Isso poderia abrir caminho para "pentes ópticos mais nítidos, "uma invenção relativamente nova que consiste em pulsos de luz uniformemente espaçados de femtossegundos (um quatrilionésimo de segundo) de todo o espectro de luz visível - com algumas zonas ultravioleta e infravermelho abrangendo - resultando em milhares de linhas individuais de sinais de radiofrequência que se assemelham a" dentes "de um pente. Filtros ópticos de banda larga são essenciais na combinação de diferentes partes do pente, que reduz o ruído de sinal indesejado e produz dentes de pente muito finos em comprimentos de onda exatos.

Porque a velocidade da luz é conhecida e constante, os dentes do pente podem ser usados ​​como uma régua para medir a luz emitida ou refletida por objetos para vários fins. Uma nova aplicação promissora para os pentes é alimentar "relógios ópticos" para satélites GPS que poderiam apontar a localização de um usuário de celular até o centímetro ou até mesmo ajudar a detectar melhor as ondas gravitacionais. O GPS funciona monitorando o tempo que um sinal leva para viajar de um satélite até o telefone do usuário. Outras aplicações incluem espectroscopia de alta precisão, habilitado por combs ópticos estáveis ​​combinando diferentes porções do espectro óptico em um feixe, para estudar as assinaturas ópticas dos átomos, íons, e outras partículas.

Nestes aplicativos e em outros, é útil ter filtros que cubram e muito diferente, porções do espectro óptico em um dispositivo.

"Assim que tivermos relógios realmente precisos com sinais óticos e de radiofrequência nítidos, você pode obter um posicionamento e navegação mais precisos, melhor qualidade de receptor, e, com espectroscopia, tenha acesso a fenômenos que você não podia medir antes, "Magden diz.