片上光学滤波器可处理各种光波长

2019-06-17 15:46:55

麻省理工学院的研究人员在芯片上设计了一个光学滤波器,可以同时处理来自极宽光谱范围的光信号,这是以前从未有过使用光处理数据的集成光学系统所能提供的。该技术可以为设计光通信和传感器系统提供更高的精度和灵活性,通过超快技术和其他应用研究光子和其他粒子。

光学滤波器用于将一个光源分成两个独立的输出:一个反射不需要的波长 - 或颜色 - 另一个传输所需的波长。例如,需要红外辐射的仪器将使用光学滤波器去除任何可见光并获得更清晰的红外信号。

然而,现有的光学滤波器具有折衷和缺点。离散(片外)“宽带”滤波器,称为二向色滤光器,处理光谱的宽部分但是很大,可能很昂贵,并且需要反射某些波长的多层光学涂层。集成滤波器可以廉价地大量生产,但是它们通常覆盖非常窄的频谱带,因此必须将许多滤波器组合以有效地和选择性地滤除光谱的较大部分。

麻省理工学院电子研究实验室的研究人员设计了第一个片上滤波器,它基本上与大体积滤波器的宽带覆盖范围和精度性能相匹配,但可以使用传统的硅片制造方法制造。

“这种新型滤波器在其带宽范围内采用极宽的波长范围作为输入,并有效地将其分为两个输出信号,无论输入的确切宽度或波长如何。这种能力在综合光学领域之前并不存在,“麻省理工学院电气工程与计算机科学系(EECS)前博士生Emir Salih Magden说道,他在一篇论文中描述了自然通讯公布的过滤器 。

纸质合着者以及现任土耳其Koç大学电气工程助理教授的Magden是:Nanxi Li,哈佛大学研究生; 从麻省理工学院,研究生Manan Raval; 前研究生Christopher V. Poulton; 前博士后Alfonso Ruocco; 博士后助理Neetesh Singh; 前研究科学家Diedrik Vermeulen; Erich Ippen,EECS的Elihu Thomson教授和物理系; EECS教授Leslie Kolodziejski; 和EECS的副教授Michael Watts。

决定光的流动

麻省理工学院的研究人员设计了一种新颖的芯片架构,以多种方式模仿二向色滤光片。他们创建了两个精确尺寸和对齐(下至纳米)硅波导的部分,将不同的波长同轴转换为不同的输出。

波导具有矩形横截面,通常由高折射率材料的“核心”构成 - 意味着光缓慢穿过它 - 被低折射率材料包围。当光遇到较高和较低折射率的材料时,它往往会朝向较高折射率的材料反弹。因此,在波导中光被捕获并沿着芯行进。

麻省理工学院的研究人员使用波导精确地将光输入引导到相应的信号输出。研究人员滤波器的一部分包含三个波导阵列,而另一部分包含一个比三个波导中的任何波导略宽的波导。

在对所有波导使用相同材料的装置中,光倾向于沿最宽的波导传播。通过调整三个波导阵列中的宽度和它们之间的间隙,研究人员将它们看作是一个更宽的波导,但仅限于波长更长的光。波长以纳米为单位测量,并且调整这些波导度量产生“截止”,意味着精确的波长纳米,高于该波长,光将“看到”三个波导的阵列作为单个波导。

例如,在该论文中,研究人员创造了一个测量318纳米的单个波导,以及三个单独的波导,每个波导的尺寸为250纳米,两者之间的间隙为100纳米。这相当于约1,540纳米的截止值,其处于红外区域。当光束进入滤光器时,测量小于1,540纳米的波长可以在一侧检测到一个宽波导,在另一侧检测到三个更窄的波导。那些波长沿着较宽的波导移动。然而,长于1,540纳米的波长无法检测三个独立波导之间的空间。相反,他们检测到比单波导更宽的大波导,因此向三个波导移动。

“这些长波长无法区分这些间隙,并将它们视为单个波导,是这个难题的一半。另一半是设计有效的过渡,将光通过这些波导路由到输出,“Magden说。

该设计还允许非常急剧的滚降,通过滤波器在截止点附近分离输入的精确度来测量。如果滚降是渐进的,则一些期望的传输信号进入不期望的输出。更清晰的滚降产生更清晰的信号,过滤损失最小。在测量中,研究人员发现他们的滤波器比其他宽带滤波器提供了大约10到70倍的更清晰的滚降。

作为最后一个组成部分,研究人员提供了波导的精确宽度和间隙的指南,以实现不同波长的不同截止波长。通过这种方式,滤波器可高度定制,适用于任何波长范围。“一旦你选择使用哪种材料,就可以确定必要的波导尺寸,并为你自己的平台设计一个类似的滤波器,”Magden说。

更锐利的工具

这些宽带滤波器中的许多可以在一个系统内实现,以灵活地处理来自整个光谱的信号,包括将来自多个输入的信号分离和组合成多个输出。

这可以为更清晰的“光梳”铺平道路,这是一种相对较新的发明,包括来自可见光谱的均匀间隔飞秒(一千万亿分之一秒)的光脉冲 - 带有一些跨越的紫外和红外区域 - 导致成千上万的各种射频信号线,类似于梳子的“牙齿”。宽带光学滤波器对于组合梳子的不同部分至关重要,这可以减少不需要的信号噪声,并在精确波长下产生非常精细的梳齿。

因为光的速度是已知的并且是恒定的,所以梳子的齿可以像尺子一样用于测量由物体发射或反射的光以用于各种目的。一种有前途的新型梳子应用正在为GPS卫星提供“光学时钟”,可以将手机用户的位置精确定位到厘米,甚至可以帮助更好地检测引力波。GPS的工作原理是跟踪信号从卫星传输到用户手机所需的时间。其他应用包括高精度光谱,通过将光谱的不同部分组合成一个光束的稳定光梳来实现,以研究原子,离子和其他粒子的光学特征。

在这些应用和其他应用中,在一个器件上具有覆盖广泛且非常不同的光谱部分的滤波器是有帮助的。

“一旦我们拥有了具有尖锐光学和射频信号的精确时钟,您就可以获得更准确的定位和导航,更好的受体质量,并且通过光谱学,可以获得以前无法测量的现象,”Magden说。

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