片上光学滤波器提供更便宜的“宽带”滤波器替代品

麻省理工学院研究人员在芯片上设计了一种滤芯，可以一次处理光学信号一次，以一次从未使用过的内容，以便在使用光处理数据的集成光学系统。图像：E. Salih Magden

基于硅的系统提供更小，更便宜的其他“宽带”过滤器替代品;可以改善各种光子器件。

麻省理工学院研究人员在芯片上设计了一种滤芯，可以一次处理光学信号一次，以一次从未使用过的内容，以便在使用光处理数据的集成光学系统。该技术可提供更高的精度和灵活性，用于设计光学通信和传感器系统，通过超快技术和其他应用研究光子和其他颗粒。

光学滤波器用于将一个光源分成两个单独的输出：一个反射不需要的波长 - 或颜色 - 并且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过滤器去除任何可见光并获得清洁的红外信号。

然而，现有的光学滤波器具有权衡和缺点。离散（片外）“宽带”滤波器，称为二向色滤波器，流程的光谱部分但很大，可以是昂贵的，并且需要多层反射某些波长的光学涂层。集成滤波器可以廉价地以大量生产，但它们通常覆盖光谱的非常窄的频带，因此必须组合许多以有效地组合并选择性地过滤频谱的较大部分。

来自MIT研究实验室的电子设备的研究人员设计了第一芯片过滤器，基本上，符合庞大过滤器的宽带覆盖和精度性能，但可以使用传统的芯片制造方法制造。

“该新滤波器在其带宽内具有极其广泛的波长作为输入，并且有效地将其分成两个输出信号，无论输入如何宽或波长。在Integrated Optics之前，这种能力不存在，“麻省理工学院电气工程和计算机科学部（EECS）的前博士学生埃米尔萨利赫·莫尔登（Emir Salih Magden）和一篇论文中的第一名作者描述了今天在自然通信中发表的过滤器。

纸质共同作者以及Magden，现在是土耳其科学大学电气工程助理教授的：哈佛大学研究生南西李;而且，来自麻省理工学院，研究生曼南罗马;前研究生克里斯托弗V.Poulton;前邮政编码阿法索若罗科; Postdoc关联Neetesh Singh;前研究科学家Diedrik vermeulen; Erich Ippen，Elihu Thomson Eecs和物理系; eecs教授Leslie Kolodziejski;埃氏副教授和迈克尔瓦特。

决定光的流动

麻省理工学院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清器。它们创建了两种精确的尺寸和对齐（向下向纳米）硅波导，其将不同的波长与不同的输出共同。

波导具有通常由高折射率材料的“核心”制成的矩形横截面 - 意味着光通过它慢慢地通过它 - 被较低指数材料包围。当光遇到较高指数的材料时，它往往朝向更高指标材料反弹。因此，在波导光中被捕获并沿着芯行进。

麻省理工学院研究人员使用波导精确地将输入光输入指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的阵列，而另一部分包含一个略宽的波导，其略宽的近三分之一。

在使用相同材料的用于所有波导的装置中，光往往沿着最宽的波导行进。通过调整三个波导阵列和它们之间的间隙的宽度，研究人员使它们显示为单个宽波导，但仅对具有较长波长的光。波长在纳米中测量，并调节这些波导度量产生“截止”，其意味着光的精确纳米的波长将“参见”三个波导的阵列作为单个。

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，并且三个单独的波导测量250纳米，间隙为100纳米。这相当于约1,540纳米的截止，其在红外区域。当光束进入过滤器时，测量小于1,540纳米的波长可以在一侧上检测一个宽波导，另一个较窄的波导。这些波长沿着更广泛的波导移动。然而，波长长于1,540纳米，不能检测三个单独的波导之间的空间。相反，它们检测到比单个波导宽的大量波导，因此向三个波导移动。

“即，这些长波长无法区分这些间隙，并将其视为单个波导，是难题的一半。“马格登说，另一半正在设计用于通过这些波导路由光线的高效转变。”

该设计还允许通过滤波器在截止附近的滤波器上拆分输入的滤波器来测量非常尖锐的滚动。如果滚出是渐变的，则一些所需的传输信号进入不期望的输出。更清晰的滚动产生具有最小损耗的清洁信号。在测量中，研究人员发现其过滤器提供约10到70倍的延迟，而不是其他宽带滤波器。

作为最终组成部分，研究人员提供了用于实现不同波长的不同截止所需的波导所需的精确宽度和空隙的指导。以这种方式，滤波器高度可根据在任何波长范围内工作。“选择要使用的材料后，可以确定必要的波导尺寸和设计类似滤波器的平台，”Magden说。

更清晰的工具

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配和梳理到多个输出中。

这可以为更清晰的“光学梳子”铺平道路，该方法是一种相对新的发明，其由来自可见光谱的均匀间隔的飞秒（一千分之二）的光 - 横跨可见光和红外区域组成 - 导致成千上万的紫外线区域射线频率信号的透射线，其类似于梳子的“齿”。宽带光学滤波器在组合梳状的不同部分方面是至关重要的，这减少了不需要的信号噪声并在精确波长下产生非常细的梳齿。

因为光的速度是已知的并且恒定的，所以梳子的齿可以像标尺一样使用以测量由物体发射或以各种目的反射的光。对COMB的一个有希望的新应用是为GPS卫星提供“光学时钟”，其可能会将手机用户的位置视为厘米或甚至有助于更好地检测引力波。GPS通过跟踪从卫星从卫星到用户手机旅行所需的时间。其他应用包括高精度光谱，通过将光谱的不同部分与一个光束组合成一个光束的稳定光学梳子，以研究原子，离子和其他颗粒的光学签名。

在这些应用程序和其他应用程序中，有助于在一个设备上覆盖宽阔，覆盖的过滤器，这是有用的。

“一旦我们具有锋利的光学和射频信号的精确时钟，您可以获得更准确的定位和导航，更好的受体质量，以及光谱学，获得您无法衡量的现象，”Magden说。

出版物：埃米尔萨利赫·莫尔登等，“具有光谱选择性波导的透射硅光子二向色滤光片”自然通信第9卷，物品编号：3009 (2018)