Dans une étude publié dans Ingénieriedes chercheurs de l’Université d’aéronautique et d’astronautique de Nanjing et de l’Université du Zhejiang ont dévoilé une approche pionnière dans la conception de spectromètres informatiques sur puce, annonçant une nouvelle ère de spectromètres intégrés fiables et performants. Cette méthodologie innovante de conception inverse offre un bond en avant spectaculaire dans la technologie des spectromètres, répondant aux défis de longue date en matière de performances et de reproductibilité.
Les spectromètres informatiques ont gagné en importance en tant que solution prometteuse pour la spectrométrie intégrée, une technologie vitale pour des applications allant de la surveillance environnementale au diagnostic médical. Ces dispositifs s’appuient généralement sur des structures désordonnées pour améliorer les performances et la résilience. Cependant, la méthode courante de conception de tels spectromètres, utilisant des approches aléatoires par force brute, s’est révélée inefficace, conduisant à des résultats incohérents et sous-optimaux.
L’équipe de recherche, dirigée par Ang Li et Yifan Wu, s’est attaquée de front à ces problèmes en introduisant une nouvelle approche de conception inverse qui exploite des algorithmes bio-inspirés. Traditionnellement, la conception inverse optimise les dispositifs photoniques uniques avec des critères de performances simples. Cette étude marque une avancée significative en appliquant une conception inverse à des systèmes complexes composés de plusieurs composants corrélés, abordant ainsi des réponses spectrales complexes.
La nouvelle approche de conception utilise l’optimisation par essaim de particules (PSO), un algorithme inspiré de processus naturels tels que le flocage d’oiseaux. Cette technique bio-inspirée, spécialement conçue pour les spectromètres informatiques, a été utilisée pour optimiser un nouveau type de structure photonique désordonnée. Contrairement aux méthodes précédentes qui reposaient sur des effets de diffusion ou d’absorption, cette approche utilise des effets interférométriques, qui réduisent considérablement la perte et améliorent la sensibilité.
Les résultats sont impressionnants. Le spectromètre nouvellement conçu a permis d’obtenir une résolution spectrale remarquablement améliorée de 12 fois par rapport aux méthodes conventionnelles.
De plus, la corrélation croisée entre les filtres a été réduite d’un facteur quatre, conduisant à une analyse spectrale plus précise et plus fiable. Les performances du spectromètre ont été validées grâce à son application en tant qu’analyseur de spectre pour les capteurs à réseau de Bragg à fibre (FBG), démontrant ainsi son utilité pratique.
L’introduction de cette méthode de conception inverse représente une avancée majeure dans le domaine des spectromètres intégrés. En surmontant les limites des approches de conception aléatoire, la nouvelle méthode constitue une solution évolutive et rentable pour la production de masse. L’intégration du spectromètre dans une plate-forme photonique sur silicium souligne son potentiel d’adoption à grande échelle, offrant une voie vers une spectrométrie haute performance dans diverses industries.
Ce développement améliore non seulement le côté pratique des spectromètres intégrés, mais ouvre également les portes à de nouvelles applications et améliorations des technologies optiques. Le succès de l’équipe dans l’application du PSO à des systèmes complexes pourrait inspirer de nouvelles recherches et innovations en photonique, conduisant potentiellement à des percées dans d’autres domaines tels que les télécommunications et les technologies de détection.
Les travaux de l’équipe de recherche constituent une base solide pour les développements futurs en spectrométrie computationnelle. Avec la nouvelle approche de conception inversée, le domaine est sur le point de connaître des progrès en termes de performances et de fiabilité. À mesure que la technologie évolue, elle est prometteuse pour transformer la façon de réaliser l’analyse spectrale et d’intégrer ces outils dans diverses applications technologiques.
Plus d’informations :
Ang Li et al, Approche innovante de conception inverse pour les spectromètres informatiques sur puce : performances et fiabilité améliorées, Ingénierie (2024). DOI : 10.1016/j.eng.2024.07.011