(a–c) Примеры CSSS, использующих неупорядоченные фотонные чипы с грубой силой и случайным выбором структурных параметров. (d–g) Реконструкция спектра четырьмя случайно спроектированными спектрометрами (S1–S4). Кредит: Ang Li et al.
В исследовании, опубликованном в Engineering, исследователи из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики и Чжэцзянского университета представили новаторский подход к проектированию вычислительных спектрометров на чипе, возвещая о новой эре высокопроизводительных и надежных интегрированных спектрометров. Эта инновационная методология обратного проектирования предлагает резкий скачок вперед в технологии спектрометров, решая давние проблемы производительности и воспроизводимости.
Вычислительные спектрометры приобрели известность как перспективное решение для интегрированной спектрометрии, технологии, жизненно важной для приложений от мониторинга окружающей среды до медицинской диагностики. Эти устройства обычно полагаются на неупорядоченные структуры для повышения производительности и устойчивости. Однако распространенный метод проектирования таких спектрометров — с использованием случайных подходов грубой силы — оказался неэффективным, что привело к непоследовательным и неоптимальным результатам.
Исследовательская группа под руководством Энг Ли и Ифань Ву взялась за решение этих проблем, представив новый подход обратного проектирования, который использует биоинспирированные алгоритмы. Традиционно обратный дизайн оптимизировал отдельные фотонные устройства с простыми критериями производительности. Это исследование знаменует собой значительный отход от применения обратного проектирования к сложным системам, состоящим из нескольких коррелированных компонентов, тем самым решая сложные спектральные реакции.
Новый подход к проектированию использует оптимизацию роя частиц (PSO), алгоритм, вдохновленный естественными процессами, такими как стая птиц. Эта биотехнология, специально разработанная для вычислительных спектрометров, была использована для оптимизации нового типа неупорядоченной фотонной структуры. В отличие от предыдущих методов, которые полагались на эффекты рассеяния или поглощения, этот подход использует интерферометрические эффекты, которые значительно уменьшают потери и повышают чувствительность.
Результаты впечатляют. Недавно разработанный спектрометр достиг замечательного 12-кратного улучшения спектрального разрешения по сравнению с традиционными методами.
Кроме того, взаимная корреляция между фильтрами была уменьшена в четыре раза, что привело к более точному и надежному спектральному анализу. Производительность спектрометра была подтверждена путем его применения в качестве анализатора спектра для датчиков с волоконной брэгговской решеткой (FBG), что еще раз демонстрирует его практическую полезность.
Введение этого метода обратного проектирования представляет собой значительный прогресс в области интегрированных спектрометров. Преодолевая ограничения подходов случайного проектирования, новый метод обеспечивает масштабируемое, экономически эффективное решение для массового производства. Интеграция спектрометра в платформу кремниевой фотоники подчеркивает его потенциал для широкого внедрения, предлагая путь к высокопроизводительной спектрометрии в различных отраслях.
Эта разработка не только повышает практичность интегрированных спектрометров, но и открывает двери для новых приложений и усовершенствований в оптических технологиях. Успех команды в применении PSO к сложным системам может вдохновить на дальнейшие исследования и инновации в фотонике, что потенциально приведет к прорывам в других областях, таких как телекоммуникации и сенсорные технологии.
Работа исследовательской группы закладывает прочную основу для будущих разработок в области вычислительной спектрометрии. Благодаря новому подходу обратного проектирования эта область готова увидеть достижения как в производительности, так и в надежности. По мере развития технологии она обещает трансформировать способ проведения спектрального анализа и интегрировать эти инструменты в различные технологические приложения.
Дополнительная информация: Ang Li et al, Innovative Inverse-Design Approach for On-Chip Computational Spectrometers: Enhanced Performance and Reliability, Engineering (2024). DOI: 10.1016/j.eng.2024.07.011
Предоставлено Engineering
