巴西研究人员开发出片上红外光谱仪

巴西研究人员设计了一款微型光谱仪，可集成于无人机、智能手机及用于化学化合物探测和温室气体远程监控等设备。

傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪，是识别和分析化合物最常用的研究工具之一，但由于其体型过于庞大，很难用于现场化合物检测。目前，各国研究人员都在开发微型FTIR光谱仪，用于温室气体远程监控无人机或智能手机等其他设备的集成。然而，由于目前微型器件生产成本很高，还无法实现大规模使用。

据麦姆斯咨询报道，巴西坎皮纳斯大学设备研究实验室（the University of Campinas’s Device Research Laboratory ，LPD-UNICAMP）的研究者与美国加州大学圣地亚哥分校（the University of California San Diego）的同行合作，通过开发一种基于硅光子学的FTIR光谱仪克服了这些限制，这项技术目前常用于计算机、智能手机和其他电子设备的芯片制造。

该成果来自于Mário César Mendes Machado de Souza的博士研究及海外实习研究，由Newton Frateschi教授指导，并受到FAPESP的奖学金资助。该新型光谱仪的研究成果已发表于《自然通讯（Nature Communications）》杂志。Souza是该论文的主要作者，也是该项目的创立者。

Souza在Agência FAPESP的访谈中说道：“硅光子学为制造经济型高性能的微型光谱仪提供了一个平台。”

根据Souza的研究，FTIR光谱仪通过使用红外光源测量吸收来识别化学物质。首先让样品暴露在不同波长的红外线中，然后使用光谱仪测量被吸收的波长。计算机接收这些原始的吸收数据，并进行傅里叶变换数学处理来获得特征吸收或光谱，然后与化学化合物光谱库比对，就可找到匹配对象，从而识别化合物。

Souza解释道：近年来，各类项目都在开发针对红外光谱的集成光子学FTIR光谱仪，但是由于技术上存在着挑战，目前的研究进展还很有限。

该研究挑战之一就是硅光波导的高色散分布，这意味着每种波长在这种材料中会以不同的速度传播，因此会有不同的折射率。

硅光波导的折射率可以通过热光学效应“调谐”，通过在波导上施加电流以对其进行加热。由于该器件必须在高温下运行才能获得高分辨率，而温度变化与折射率的不均匀变化相关，因而在这个意义上来说该技术是非线性的。

Souza补充道：“在实践中，当热光学效应被应用到集成光子学的硅基红外光谱仪中时，使用转换辐射频谱数据的傅里叶变换数学运算就会产生完全错误的结果。”

研究人员通过建立一种激光校准方法来量化和校正由硅光波导色散和非线性引起的畸变，就可以成功地克服这些挑战。他们开发了一款基于标准硅光子制造工艺的1 mm2大小的FTIR光谱仪芯片，来证明此概念的可行性。

研究人员称，他们在实验室中对该芯片进行了测试，该芯片产生了分辨率为0.38太赫兹（THz）的宽带频谱，这与相同波长范围内运行的商用便携式光谱仪的分辨率相当。Souza说：“我们开发的器件虽然还未经过优化，但仍能达到与市面上便携式自由空间光学光谱仪相媲美的分辨率。”

目前，研究人员计划设计一款完全实用的，可与光电探测器、光源和光纤集成的器件。Souza说：“我们的目标是将光源与光谱仪探测器集成到同一个平台上。”

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