Inverse-Design-Methode verbessert Leistung und Zuverlässigkeit von On-Chip-Spektrometern

In einer Studie veröffentlicht In MaschinenbauForscher der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics und der Zhejiang University haben einen bahnbrechenden Ansatz für die Entwicklung von On-Chip-Rechnerspektrometern vorgestellt und damit eine neue Ära leistungsstarker und zuverlässiger integrierter Spektrometer eingeläutet. Diese innovative Inverse-Design-Methodik bietet einen dramatischen Fortschritt in der Spektrometertechnologie und geht auf langjährige Herausforderungen in Bezug auf Leistung und Reproduzierbarkeit ein.

Computerspektrometer haben als vielversprechende Lösung für die integrierte Spektrometrie an Bedeutung gewonnen, eine Technologie, die für Anwendungen von der Umweltüberwachung bis zur medizinischen Diagnostik von entscheidender Bedeutung ist. Diese Geräte basieren typischerweise auf ungeordneten Strukturen, um Leistung und Widerstandsfähigkeit zu verbessern. Allerdings hat sich die vorherrschende Methode zum Entwurf solcher Spektrometer – die Verwendung von Brute-Force-Zufallsansätzen – als ineffizient erwiesen und zu inkonsistenten und suboptimalen Ergebnissen geführt.

Das Forschungsteam unter der Leitung von Ang Li und Yifan Wu ging diese Probleme direkt an, indem es einen neuartigen Inverse-Design-Ansatz einführte, der bioinspirierte Algorithmen nutzt. Traditionell wurden beim inversen Design einzelne photonische Geräte mit einfachen Leistungskriterien optimiert. Diese Studie stellt einen bedeutenden Schritt dar, indem sie inverses Design auf komplexe Systeme anwendet, die aus mehreren korrelierten Komponenten bestehen, und so komplexe spektrale Reaktionen untersucht.

Der neue Designansatz nutzt die Partikelschwarmoptimierung (PSO), einen Algorithmus, der von natürlichen Prozessen wie dem Vogelschwarm inspiriert ist. Diese bioinspirierte Technik, die speziell auf Computerspektrometer zugeschnitten ist, wurde verwendet, um einen neuartigen Typ ungeordneter photonischer Struktur zu optimieren. Im Gegensatz zu früheren Methoden, die auf Streu- oder Absorptionseffekten beruhten, nutzt dieser Ansatz interferometrische Effekte, die den Verlust deutlich reduzieren und die Empfindlichkeit erhöhen.

Die Ergebnisse sind beeindruckend. Das neu entwickelte Spektrometer erzielte eine bemerkenswerte 12-fache Verbesserung der spektralen Auflösung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.

Darüber hinaus wurde die Kreuzkorrelation zwischen Filtern um den Faktor vier reduziert, was zu einer genaueren und zuverlässigeren Spektralanalyse führte. Die Leistung des Spektrometers wurde durch seine Anwendung als Spektrumanalysator für Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG) validiert, was seinen praktischen Nutzen weiter unter Beweis stellte.

Die Einführung dieser inversen Designmethode stellt einen großen Fortschritt auf dem Gebiet der integrierten Spektrometer dar. Durch die Überwindung der Einschränkungen zufälliger Designansätze bietet die neue Methode eine skalierbare, kostengünstige Lösung für die Massenproduktion. Die Integration des Spektrometers in eine Silizium-Photonik-Plattform unterstreicht sein Potenzial für eine breite Akzeptanz und bietet einen Weg zur Hochleistungsspektrometrie in verschiedenen Branchen.

Diese Entwicklung verbessert nicht nur die Praktikabilität integrierter Spektrometer, sondern öffnet auch Türen für neue Anwendungen und Verbesserungen optischer Technologien. Der Erfolg des Teams bei der Anwendung von PSO auf komplexe Systeme könnte weitere Forschung und Innovationen in der Photonik anregen und möglicherweise zu Durchbrüchen in anderen Bereichen wie Telekommunikation und Sensortechnologien führen.

Die Arbeit des Forschungsteams legt eine solide Grundlage für zukünftige Entwicklungen in der Computerspektrometrie. Mit dem neuen Inverse-Design-Ansatz ist die Branche bereit, Fortschritte sowohl bei der Leistung als auch bei der Zuverlässigkeit zu erzielen. Die Weiterentwicklung der Technologie verspricht, die Durchführung der Spektralanalyse zu verändern und diese Werkzeuge in verschiedene technologische Anwendungen zu integrieren.