Spektrometrie im Chipmaßstab mit einem photonischen Molekül

Die Miniaturisierung von Spektrometern im Chipmaßstab ermöglicht die schnelle Erfassung spektraler Informationen in tragbaren Geräten und eröffnet neue Anwendungen. Integrierte Spektrometer leiden jedoch typischerweise unter einem Kompromiss zwischen spektraler Auflösung und optischer Bandbreite.

Um dieses Problem zu lösen, entwickelten Wissenschaftler aus Hongkong einen neuen Spektrometertyp mit dispersionstechnisch gekoppelten Resonatoren, die einem zweistufigen Molekül ähneln. Aus der dispersiven Modenaufspaltung werden verschiedene freie Spektralbereiche identifiziert, was zu einer Spektrumsrekonstruktion mit ultrahoher Auflösung über eine ultrabreite Bandbreite führt.

Das optische Spektrometer spielt eine unverzichtbare Rolle in vielen wissenschaftlichen und industriellen Anwendungen, wie Materialanalyse, biologische Sensorik, optische Tomographie und hyperspektrale Bildgebung. Herkömmliche Benchtop-Spektrometer sind anfällig für mechanische Vibrationen und für den Feldeinsatz außerhalb des Labors wenig geeignet.

Integrierte Spektrometer, die vollständig aus photonischen integrierten Festkörperschaltungen aufgebaut sind, haben die Vorteile kleiner Größe, Robustheit gegenüber Vibrationen und potenziell niedriger Kosten. Nichtsdestotrotz leiden die meisten der beschriebenen integrierten Spektrometer unter einem inhärenten Kompromiss zwischen spektraler Auflösung und Betriebsbandbreite. Eine hohe spektrale Auflösung erfordert eine lange optische Weglänge, um eine ausreichende spektrale Dekorrelation zu unterstützen, was zu einem kleineren freien Spektralbereich (FSR) führt.

In einem neuen Artikel, erschienen in Licht: Wissenschaft & Anwendungenhat ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Hon Ki Tsang vom Department of Electronic Engineering der Chinese University of Hong Kong eine bahnbrechende Methode entwickelt, die die Grenze der Auflösungsbandbreite in der Spektrometrie im Chipmaßstab überwindet.

Das vorgeschlagene Schema basiert auf einem Paar identischer abstimmbarer Mikroringresonatoren (MRR), in denen die starke Kopplung zwischen den Hohlräumen jeden Resonanzmodus in einen symmetrischen Modus und einen antisymmetrischen Modus aufteilt. Dieses einzigartige Verhalten ähnelt der Aufspaltung der Energieniveaus in einem zweistufigen Molekül, das aus zwei Atomen besteht. Interessanterweise ist die Modenaufspaltungsstärke proportional zur Kopplungsstärke.

Als solches variiert die Teilungsstärke durch die Konstruktion der Dispersion des „photonischen Moleküls“ über die gesamte Bandbreite, die mehrere FSRs enthält. Wenn zwei MRRs gleichzeitig abgestimmt werden, erzeugt jeder Wellenlängenkanal eine eindeutige Abtastspur, wodurch es möglich wird, jedes unbekannte Eingangsspektrum zu rekonstruieren.

Im Experiment werden zahlreiche Testspektren mit unterschiedlichen komplexen Merkmalen unter Verwendung des photonischen Molekülschemas abgerufen. Die gezeigte spektrale Auflösung beträgt 40 pm über eine Bandbreite von 100 nm. Bemerkenswerterweise kann eine hohe Rekonstruktionspräzision selbst bei Anwesenheit von thermischem Rauschen aufrechterhalten werden. Die Autoren des Papiers erklärten:

„Unser Spektrometer ist ein neuartiger Ansatz zur Erfassung eines Breitbandspektrums mit hoher spektraler Auflösung. Es stützt sich ausschließlich auf ein Paar gekoppelter Resonatoren. Das Gerät hat einen sehr geringen Stromverbrauch und ist mit der gängigen nanophotonischen Fertigungstechnologie kompatibel.“

„Das Spektrometer basiert auf der Modenaufspaltung in gekoppelten Resonatoren. Dieses Phänomen ist analog zur Energieniveauaufspaltung in einem Molekül mit zwei Atomen. Unser Design zeichnet sich durch eine einfache Konfiguration und eine geringe Größe aus, sodass es mit anderen Geräten dicht gepackt werden kann.“ Wir glauben, dass dieser Ansatz das Potenzial hat, in zukünftigen tragbaren oder sogar tragbaren spektroskopischen Sensoren angewendet zu werden.“