片上光學濾波器可處理各種光波長

2020-11-25 新華能網

麻省理工學院的研究人員在晶片上設計了一個光學濾波器，可以同時處理來自極寬光譜範圍的光信號，這是以前從未有過使用光處理數據的集成光學系統所能提供的。該技術可以為設計光通信和傳感器系統提供更高的精度和靈活性，通過超快技術和其他應用研究光子和其他粒子。

光學濾波器用於將一個光源分成兩個獨立的輸出：一個反射不需要的波長 - 或顏色 - 另一個傳輸所需的波長。例如，需要紅外輻射的儀器將使用光學濾波器去除任何可見光並獲得更清晰的紅外信號。

然而，現有的光學濾波器具有折衷和缺點。離散(片外)「寬帶」濾波器，稱為二向色濾光器，處理光譜的寬部分但是很大，可能很昂貴，並且需要反射某些波長的多層光學塗層。集成濾波器可以廉價地大量生產，但是它們通常覆蓋非常窄的頻譜帶，因此必須將許多濾波器組合以有效地和選擇性地濾除光譜的較大部分。

麻省理工學院電子研究實驗室的研究人員設計了第一個片上濾波器，它基本上與大體積濾波器的寬帶覆蓋範圍和精度性能相匹配，但可以使用傳統的矽片製造方法製造。

「這種新型濾波器在其帶寬範圍內採用極寬的波長範圍作為輸入，並有效地將其分為兩個輸出信號，無論輸入的確切寬度或波長如何。這種能力在綜合光學領域之前並不存在，「麻省理工學院電氣工程與計算機科學系(EECS)前博士生Emir Salih Magden說道，他在一篇論文中描述了自然通訊公布的過濾器 。

紙質合著者以及現任土耳其Koç大學電氣工程助理教授的Magden是：Nanxi Li，哈佛大學研究生; 從麻省理工學院，研究生Manan Raval; 前研究生Christopher V. Poulton; 前博士後Alfonso Ruocco; 博士後助理Neetesh Singh; 前研究科學家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。

決定光的流動

麻省理工學院的研究人員設計了一種新穎的晶片架構，以多種方式模仿二向色濾光片。他們創建了兩個精確尺寸和對齊(下至納米)矽波導的部分，將不同的波長同軸轉換為不同的輸出。

波導具有矩形橫截面，通常由高折射率材料的「核心」構成 - 意味著光緩慢穿過它 - 被低折射率材料包圍。當光遇到較高和較低折射率的材料時，它往往會朝向較高折射率的材料反彈。因此，在波導中光被捕獲並沿著芯行進。

麻省理工學院的研究人員使用波導精確地將光輸入引導到相應的信號輸出。研究人員濾波器的一部分包含三個波導陣列，而另一部分包含一個比三個波導中的任何波導略寬的波導。

在對所有波導使用相同材料的裝置中，光傾向於沿最寬的波導傳播。通過調整三個波導陣列中的寬度和它們之間的間隙，研究人員將它們看作是一個更寬的波導，但僅限于波長更長的光。波長以納米為單位測量，並且調整這些波導度量產生「截止」，意味著精確的波長納米，高於該波長，光將「看到」三個波導的陣列作為單個波導。

例如，在該論文中，研究人員創造了一個測量318納米的單個波導，以及三個單獨的波導，每個波導的尺寸為250納米，兩者之間的間隙為100納米。這相當於約1,540納米的截止值，其處於紅外區域。當光束進入濾光器時，測量小於1,540納米的波長可以在一側檢測到一個寬波導，在另一側檢測到三個更窄的波導。那些波長沿著較寬的波導移動。然而，長於1,540納米的波長無法檢測三個獨立波導之間的空間。相反，他們檢測到比單波導更寬的大波導，因此向三個波導移動。

「這些長波長無法區分這些間隙，並將它們視為單個波導，是這個難題的一半。另一半是設計有效的過渡，將光通過這些波導路由到輸出，「Magden說。

該設計還允許非常急劇的滾降，通過濾波器在截止點附近分離輸入的精確度來測量。如果滾降是漸進的，則一些期望的傳輸信號進入不期望的輸出。更清晰的滾降產生更清晰的信號，過濾損失最小。在測量中，研究人員發現他們的濾波器比其他寬帶濾波器提供了大約10到70倍的更清晰的滾降。

作為最後一個組成部分，研究人員提供了波導的精確寬度和間隙的指南，以實現不同波長的不同截止波長。通過這種方式，濾波器可高度定製，適用於任何波長範圍。「一旦你選擇使用哪種材料，就可以確定必要的波導尺寸，並為你自己的平臺設計一個類似的濾波器，」Magden說。

更銳利的工具

這些寬帶濾波器中的許多可以在一個系統內實現，以靈活地處理來自整個光譜的信號，包括將來自多個輸入的信號分離和組合成多個輸出。

這可以為更清晰的「光梳」鋪平道路，這是一種相對較新的發明，包括來自可見光譜的均勻間隔飛秒(一千萬億分之一秒)的光脈衝 - 帶有一些跨越的紫外和紅外區域 - 導致成千上萬的各種射頻信號線，類似於梳子的「牙齒」。寬帶光學濾波器對於組合梳子的不同部分至關重要，這可以減少不需要的信號噪聲，並在精確波長下產生非常精細的梳齒。

因為光的速度是已知的並且是恆定的，所以梳子的齒可以像尺子一樣用於測量由物體發射或反射的光以用於各種目的。一種有前途的新型梳子應用正在為GPS衛星提供「光學時鐘」，可以將手機用戶的位置精確定位到釐米，甚至可以幫助更好地檢測引力波。GPS的工作原理是跟蹤信號從衛星傳輸到用戶手機所需的時間。其他應用包括高精度光譜，通過將光譜的不同部分組合成一個光束的穩定光梳來實現，以研究原子，離子和其他粒子的光學特徵。

在這些應用和其他應用中，在一個器件上具有覆蓋廣泛且非常不同的光譜部分的濾波器是有幫助的。

「一旦我們擁有了具有尖銳光學和射頻信號的精確時鐘，您就可以獲得更準確的定位和導航，更好的受體質量，並且通過光譜學，可以獲得以前無法測量的現象，」Magden說。

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