Technologia identyfikacji cząsteczkowej mieszcząca się na czubku palca
Technologia umożliwiająca integrację elementów fotonicznych w układach krzemowych jest obecnie doskonale rozwinięta i znajduje wiele zastosowań w telekomunikacji oraz sektorze IT. W ramach projektu INsPIRE finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERBN) naukowcy postanowili rozwinąć tę technologię w zupełnie nowym kierunku, integrując elementy wykorzystujące podczerwień średnią w ramach pojedynczego układu, aby opracować w ten sposób przenośne rozwiązanie, które pozwala na szybką identyfikację cząsteczek takich jak patogeny w powietrzu, żywności lub próbkach medycznych.
Wyjątkowy zestaw zintegrowanych szerokopasmowych funkcji optycznych
Metody spektroskopowe wykorzystują zjawisko absorpcji i odbicia światła przez materię, co powoduje powstawanie widm spektralnych, które umożliwiają identyfikację występujących materiałów na podstawie ich charakterystycznych widm. Zakres długości fal podczerwieni średniej obejmuje tak zwany zakres daktyloskopowy (około 2,5-10 µm) związany z rozciąganiem, drganiami i obrotami cząsteczek. Widma emisji spektralnej, zwane też molekularnym odciskiem palca, są wyjątkowe w przypadku każdej konkretnej cząsteczki, co powoduje, że spektroskopia wykorzystująca podczerwień średnią pozwala na niezwykle dokładną identyfikację cząsteczek w danej próbce. Celem projektu INsPIRE jest opracowanie nowej krzemowej platformy fotonicznej wykorzystującej german, która pozwoli na wykrywanie molekularnych odcisków palców. Jak wyjaśnia główna badaczka projektu, Delphine Marris-Morini: „Nasze rozwiązanie wykorzystuje możliwości i zalety technologii fotoniki krzemowej, w tym jej stopień zaawansowania, możliwości wytwarzania na dużą skalę oraz silne ograniczanie światła. Czerpiemy również korzyści z szerokiego zakresu przejrzystości germanu, który może wynosić nawet do 15 µm. Dla porównania, tlenek krzemu zachowuje przejrzystość zaledwie do 3,8 µm, natomiast krzem do 8 µm”. Ten szeroki zakres przejrzystości oznacza, że materiały optyczne wykorzystane w rozwiązaniu nie absorbują i nie odbijają światła w tym zakresie, w związku z czym nie wpływają negatywnie na jego propagację. Monolityczna i zintegrowana konstrukcja układu fotonicznego ogranicza zajmowaną przestrzeń, co pozwala na zbudowanie jednoukładowego rozwiązania identyfikującego cząsteczki mieszczącego się na czubku palca.
Czas na rewolucję
Uczestnicy projektu INsPIRE zbadali właściwości i osiągi optyczne zaprojektowanej przez siebie platformy i opracowali nowy zestaw funkcji optycznych. To wymagało jednak opracowania zupełnie nowatorskich i nieznanych dotąd rozwiązań. Jak wspomina Marris-Morini: „Uświadomiliśmy sobie, że sprzęt potrzebny do testowania naszych urządzeń był znacznie słabiej rozwinięty niż w przypadku rozwiązań wykorzystujących zakres fal podczerwieni bliskiej, w przypadku którego motorem rozwoju był sektor telekomunikacji. Musieliśmy w związku z tym zbudować własny szerokopasmowy rotator polaryzacji, a także w wielu przypadkach sytuacja wymuszała na nas konieczność wykupowania prototypów lub urządzeń, które dopiero niedawno trafiły na rynek”. W rezultacie swoich działań zespół dokonał prawdziwego przełomu na polu spektroskopii wykorzystującej podczerwień średnią, co pozwoliło zespołowi na opracowanie szeregu pierwszych na świecie rozwiązań działających w zakresie długości fal wynoszącym 8 µm: zintegrowanych rezonatorów Fabry’ego–Perota, wykorzystujących siatki Bragga, zintegrowanych szerokopasmowych owalnych rezonatorów pierścieniowych, a także spektrometr krzemowo-germanowy wykorzystujący podczerwień średnią, oparty na transformacie Fouriera. Pomimo rozwój modulatorów optycznych podczerwieni średniej nie był planowany w początkowych fazach projektu, zespołowi udało się również zrealizować pierwszy na świecie przykład modulacji optycznej w obwodzie fotonicznym podczerwieni średniej, działającym w zakresie fal o długości 5,5-11 µm.
Zintegrowane rozwiązania fotoniczne podczerwieni średniej do wielu zastosowań
Jak podsumowuje Marris-Morini: „Wychodząc poza granice możliwości, udało nam się zbudować układy spektrometrów o wysokiej rozdzielczości, wykorzystujące podczerwień średnią, działające w ultraszerokim paśmie częstotliwości (w zasadzie 1,5-15 µm), osadzone w układzie scalonym o powierzchni mniejszej niż 1 centymetr kwadratowy”. Technologia ta toruje drogę do produkcji przenośnych i tanich czujników przeznaczonych do zróżnicowanych zastosowań, od monitoringu środowiska w czasie rzeczywistym w celu wykrywania zanieczyszczeń, aż po zapewnianie bezpieczeństwa żywności i szybkiej diagnostyki w medycynie.
Słowa kluczowe
INsPIRE, podczerwień średnia, fotonika, długość fali, cząsteczka, optyczne, cząsteczkowy, spektrometr, krzem, odcisk palca, widmowy, spektroskopia, platforma, rezonator, podczerwień, integracja monolityczna, german, system-on-chip, falowód, współczynnik załamania światła
