用光學(xué)濾波器將一個(gè)光源分成兩個(gè)獨(dú)立的輸出：一個(gè)是反射不需要的波長(zhǎng) - 或者顏色 – 而另一個(gè)則傳輸所需的波長(zhǎng)。例如，需要紅外輻射的儀器將使用光學(xué)濾波器去除任何可見(jiàn)光，并獲得更清晰的紅外信號(hào)。

然而，現(xiàn)有的光學(xué)濾波器有折衷和缺點(diǎn)。離散(片外)“寬帶”濾波器，稱為雙向色濾光器，處理光譜的寬部分但體積很大，可能很昂貴，并且需要許多層光學(xué)涂層來(lái)反射某些波長(zhǎng)。集成濾波器可以以很低成本大量生產(chǎn)，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(xué)院電子研究實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)計(jì)了第一個(gè)片上濾波器，它基本上可以與龐大濾波器的寬帶覆蓋范圍和精度性能相匹配，但可以利用傳統(tǒng)的硅片制造方法制造。

麻省理工學(xué)院的研究人員在芯片上設(shè)計(jì)了一個(gè)光學(xué)濾波器，可以同時(shí)處理來(lái)自極寬光譜范圍的光信號(hào)，這是一種從未使用過(guò)的光學(xué)系統(tǒng)，它可以利用光來(lái)處理數(shù)據(jù)。

“這種新型濾波器在其帶寬范圍內(nèi)采用極寬的波長(zhǎng)范圍作為輸入，并有效地將其分成兩個(gè)輸出信號(hào)，無(wú)論輸入的確切寬度或波長(zhǎng)如何。這種能力在集成光學(xué)領(lǐng)域之前并不存在。”麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系(EECS)前博士生Emir Salih Magden說(shuō)道，他是今天在Nature Communications上發(fā)表描述該光學(xué)濾波器的論文的第一作者(“Transmissive silicon photonic dichroic filters with spectrally selective waveguides”)。

跟現(xiàn)任土耳其科克大學(xué)電氣工程助理教授的Magden一起的該論文的合作者還有：哈佛大學(xué)的一名研究生Nanxi Li; 還有來(lái)自麻省理工學(xué)院的研究生Manan Raval; 前研究生Christopher V. Poulton; 前博士后Alfonso Ruocco; 博士后助理Neetesh Singh; 前研究科學(xué)家Diedrik Vermeulen; EECS和物理系的Elihu Thomson教授Erich Ippen; EECS教授Leslie Kolodziejski; 和EECS的副教授Michael Watts。

指示光的流動(dòng)

麻省理工學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一種新穎的芯片結(jié)構(gòu)，以多種方式模擬雙向色濾光片。他們創(chuàng)建了兩個(gè)尺寸精確的和對(duì)齊的(納米級(jí))硅波導(dǎo)截面，將不同波長(zhǎng)的信號(hào)誘導(dǎo)到不同的輸出。

波導(dǎo)具有矩形橫截面，通常由高折射率材料的“芯”構(gòu)成 - 意味著光緩慢穿過(guò)它 - 被較低折射率的材料包圍著。當(dāng)光遇到較高和較低折射率的材料時(shí)，它往往會(huì)向較高折射率的材料反彈。因此，在波導(dǎo)中，光被捕獲并沿著芯傳輸。

麻省理工學(xué)院的研究人員使用波導(dǎo)精確地將光輸入引導(dǎo)到相應(yīng)的信號(hào)輸出。研究人員所研究的濾波器的一部分包含三個(gè)波導(dǎo)陣列，而另一部分包含一個(gè)比三個(gè)波導(dǎo)中的任何波導(dǎo)略寬的波導(dǎo)。

在對(duì)所有波導(dǎo)使用相同材料的裝置中，光傾向于沿最寬的波導(dǎo)傳播。通過(guò)調(diào)整三個(gè)波導(dǎo)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(gè)更寬的波導(dǎo)，但僅限于波長(zhǎng)更長(zhǎng)的光。以納米為單位測(cè)量波長(zhǎng)，并且調(diào)整這些波導(dǎo)度量產(chǎn)生一個(gè)“截止”，也就意味著精確的納米波長(zhǎng)，高于該波長(zhǎng)，光將三個(gè)波導(dǎo)的陣列作為一個(gè)波導(dǎo)。

例如，在該論文中，研究人員創(chuàng)建了一個(gè)尺寸為318納米的單個(gè)波導(dǎo)，以及三個(gè)獨(dú)立的波導(dǎo)，每個(gè)波導(dǎo)的尺寸為250納米，兩者之間的間隙為100納米。這對(duì)應(yīng)于約1,540納米的截止點(diǎn)，其處于紅外區(qū)域。當(dāng)光束進(jìn)入濾光器時(shí)，小于1,540納米的波長(zhǎng)可以在一側(cè)檢測(cè)到一個(gè)寬波導(dǎo)，在另一側(cè)檢測(cè)到三個(gè)更窄的波導(dǎo)。那些波長(zhǎng)沿著較寬的波導(dǎo)移動(dòng)。然而，長(zhǎng)于1,540納米的波長(zhǎng)不能檢測(cè)三個(gè)獨(dú)立波導(dǎo)之間的空間。相反，他們檢測(cè)到比單波導(dǎo)更寬的大波導(dǎo)，因此向三個(gè)波導(dǎo)移動(dòng)。

“這些長(zhǎng)波長(zhǎng)無(wú)法區(qū)分這些間隙，并將它們視為單個(gè)波導(dǎo)，是這個(gè)難題的一半。 另一半是設(shè)計(jì)有效的過(guò)渡，通過(guò)這些波導(dǎo)將光引導(dǎo)以致輸出，“Magden說(shuō)。

該設(shè)計(jì)還允許非常急劇的衰減，通過(guò)濾波器在截止點(diǎn)附近分割輸入的精確度來(lái)測(cè)量。如果衰減是漸進(jìn)的，則一些期望的傳輸信號(hào)進(jìn)入不期望的輸出。更急劇的衰減產(chǎn)生更清晰的信號(hào)，該信號(hào)過(guò)濾損失最小。在測(cè)量中，比其他寬帶濾波器的衰減，研究人員發(fā)現(xiàn)他們的濾波器提供了大約10到70倍的更劇烈的衰減。

作為最后一個(gè)組成部分，研究人員們提供了針對(duì)不同波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)不同截止所需波導(dǎo)的精確寬度和間隙的指南。 通過(guò)這種方式，濾波器可實(shí)現(xiàn)高度定制，且可在任何波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作。 “一旦你選擇使用哪種材料，就可以確定必要的波導(dǎo)尺寸，并為你自己的平臺(tái)設(shè)計(jì)一個(gè)類似的濾波器，”Magden說(shuō)。

更靈敏的工具

許多這些寬帶濾波器可以在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，以靈活地處理來(lái)自整個(gè)光譜的信號(hào)，包括將來(lái)自多個(gè)輸入的信號(hào)分離和梳理成多個(gè)輸出。

這可以為更靈敏的“光梳”鋪平道路，這是一種相對(duì)較新的發(fā)明，包括來(lái)自可見(jiàn)光譜的均勻間隔飛秒(一千萬(wàn)億分之一秒)的光脈沖 - 一些脈沖波長(zhǎng)分布在紫外和紅外區(qū)域 - 導(dǎo)致數(shù)千個(gè)單獨(dú)的射頻信號(hào)線，類似于梳子的“牙齒”。寬帶光學(xué)濾波器對(duì)于組合梳子的不同部分至關(guān)重要，寬帶光學(xué)濾波器可以減少不需要的信號(hào)噪聲，并在精確波長(zhǎng)下產(chǎn)生非常精細(xì)的梳齒。

因?yàn)楣獾乃俣仁且阎牟⑶沂呛愣ǖ?，所以梳子的齒可以像尺子一樣用于測(cè)量由物體發(fā)射或反射的光以用于各種目的。一種有前景的梳子新應(yīng)用正在為GPS衛(wèi)星提供“光學(xué)時(shí)鐘”，可以將手機(jī)用戶的位置精確定位到厘米，甚至可以幫助更好地檢測(cè)引力波。GPS的工作原理是跟蹤信號(hào)從衛(wèi)星傳輸?shù)接脩羰謾C(jī)所需的時(shí)間。其他應(yīng)用包括高精度光譜，通過(guò)將光譜的不同部分組合成一個(gè)光束的穩(wěn)定光梳來(lái)實(shí)現(xiàn)，該光梳可以研究原子、離子和其他粒子的光學(xué)特征。

在這些應(yīng)用和其他應(yīng)用中，具有能在一個(gè)器件上具有覆蓋廣泛的不同的光譜部分的濾波器是很有幫助的。

“一旦我們擁有了具有敏銳光學(xué)和射頻信號(hào)的精確時(shí)鐘，你就可以獲得更準(zhǔn)確的定位和導(dǎo)航，更好的受體質(zhì)量，并且通過(guò)光譜分析，可以獲得以前無(wú)法測(cè)量的現(xiàn)象。”Magden說(shuō)。