MIT-Forscher haben einen optischen Filter auf einem Chip entwickelt, der optische Signale aus einem extrem breiten Lichtspektrum auf einmal verarbeiten kann, was für integrierte Optiksysteme, die Daten mithilfe von Licht verarbeiten, noch nie zuvor verfügbar war. Die Technologie bietet möglicherweise eine höhere Präzision und Flexibilität für den Entwurf optischer Kommunikations- und Sensorsysteme, die Untersuchung von Photonen und anderen Teilchen mithilfe ultraschneller Techniken sowie für andere Anwendungen.

Optische Filter werden verwendet, um eine Lichtquelle in zwei separate Ausgänge aufzuteilen: einer reflektiert unerwünschte Wellenlängen – oder Farben – und der andere lässt gewünschte Wellenlängen durch. Instrumente, die beispielsweise Infrarotstrahlung benötigen, verwenden optische Filter, um jegliches sichtbare Licht zu entfernen und sauberere Infrarotsignale zu erhalten.

Bestehende optische Filter weisen jedoch Kompromisse und Nachteile auf. Diskrete (außerhalb des Chips) „Breitband“-Filter, sogenannte dichroitische Filter, verarbeiten große Teile des Lichtspektrums, sind jedoch groß, können teuer sein und erfordern viele Schichten optischer Beschichtungen, die bestimmte Wellenlängen reflektieren. Integrierte Filter können kostengünstig in großen Mengen hergestellt werden, decken jedoch typischerweise ein sehr schmales Band des Spektrums ab, sodass viele kombiniert werden müssen, um größere Teile des Spektrums effizient und selektiv zu filtern.

Forscher des Forschungslabors für Elektronik des MIT haben den ersten On-Chip-Filter entwickelt, der im Wesentlichen die Breitbandabdeckung und Präzisionsleistung der sperrigen Filter erreicht, aber mit herkömmlichen Siliziumchip-Fertigungsmethoden hergestellt werden kann.

„Dieser neue Filter nimmt einen extrem breiten Wellenlängenbereich innerhalb seiner Bandbreite als Eingang auf und trennt ihn effizient in zwei Ausgangssignale, unabhängig davon, wie breit oder bei welcher Wellenlänge der Eingang genau ist. Diese Fähigkeit gab es bisher in der integrierten Optik nicht“, sagt Emir Salih Magden, ehemaliger Doktorand am Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS) des MIT und Erstautor eines Artikels, der die Filter beschreibt und heute in Nature Communications veröffentlicht wurde.

Co-Autoren des Artikels sind neben Magden, der jetzt Assistenzprofessor für Elektrotechnik an der Universität Koç in der Türkei ist: Nanxi Li, ein Doktorand der Harvard University; und vom MIT der Doktorand Manan Raval; ehemaliger Doktorand Christopher V. Poulton; ehemaliger Postdoktorand Alfonso Ruocco; Postdoc-Mitarbeiter Neetesh Singh; ehemaliger Wissenschaftler Diedrik Vermeulen; Erich Ippen, Elihu Thomson-Professor für EECS und die Fakultät für Physik; Leslie Kolodziejski, Professorin für EECS; und Michael Watts, außerordentlicher Professor für EECS.

Den Lichtfluss bestimmen

Die MIT-Forscher haben eine neuartige Chiparchitektur entworfen, die dichroitische Filter in vielerlei Hinsicht nachahmt. Sie schufen zwei Abschnitte präzise dimensionierter und ausgerichteter (bis auf den Nanometer genauer) Siliziumwellenleiter, die unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedliche Ausgänge leiten.

Wellenleiter haben rechteckige Querschnitte, die typischerweise aus einem „Kern“ aus Material mit hohem Index bestehen – das heißt, Licht bewegt sich langsam durch ihn hindurch –, umgeben von einem Material mit niedrigerem Index. Wenn Licht auf Materialien mit höherem und niedrigerem Index trifft, neigt es dazu, in Richtung des Materials mit höherem Index zu reflektieren. Somit wird im Wellenleiter Licht im Kern gefangen und wandert entlang desselben.

Um den Lichteingang präzise zu den entsprechenden Signalausgängen zu leiten, nutzen die MIT-Forscher Wellenleiter. Ein Abschnitt des Filters der Forscher enthält ein Array aus drei Wellenleitern, während der andere Abschnitt einen Wellenleiter enthält, der etwas breiter ist als jeder der drei einzelnen.

In einem Gerät, das für alle Wellenleiter das gleiche Material verwendet, tendiert das Licht dazu, sich entlang des breitesten Wellenleiters zu bewegen. Indem die Forscher die Breiten in der Anordnung der drei Wellenleiter und die Lücken zwischen ihnen optimieren, lassen sie sie wie einen einzigen breiteren Wellenleiter erscheinen, allerdings nur für Licht mit längeren Wellenlängen. Wellenlängen werden in Nanometern gemessen, und die Anpassung dieser Wellenleitermetriken erzeugt einen „Grenzwert“, d. h. den genauen Nanometer Wellenlänge, ab dem Licht die Anordnung aus drei Wellenleitern als einen einzigen „sieht“.

In der Arbeit haben die Forscher beispielsweise einen einzelnen Wellenleiter mit einer Größe von 318 Nanometern und drei separate Wellenleiter mit einer Größe von jeweils 250 Nanometern mit Abständen von 100 Nanometern dazwischen erstellt. Dies entsprach einem Cutoff von etwa 1.540 Nanometern, was im Infrarotbereich liegt. Wenn ein Lichtstrahl in den Filter eindringt, können Wellenlängen von weniger als 1.540 Nanometern einen breiten Wellenleiter auf der einen Seite und drei schmalere Wellenleiter auf der anderen Seite erkennen. Diese Wellenlängen bewegen sich entlang des breiteren Wellenleiters. Wellenlängen über 1.540 Nanometer können jedoch keine Zwischenräume zwischen drei separaten Wellenleitern erkennen. Stattdessen erkennen sie einen massiven Wellenleiter, der breiter als der einzelne Wellenleiter ist, und bewegen sich daher auf die drei Wellenleiter zu.

„Dass diese langen Wellenlängen nicht in der Lage sind, diese Lücken zu unterscheiden und sie als einen einzelnen Wellenleiter zu erkennen, ist die halbe Lösung.“ Die andere Hälfte besteht darin, effiziente Übergänge zu entwerfen, um das Licht durch diese Wellenleiter zu den Ausgängen zu leiten“, sagt Magden.

Das Design ermöglicht auch einen sehr scharfen Abfall, gemessen daran, wie präzise ein Filter einen Eingang nahe der Grenzfrequenz aufteilt. Wenn der Abfall allmählich erfolgt, gelangt ein gewünschtes Übertragungssignal in den unerwünschten Ausgang. Ein schärferer Roll-Off erzeugt ein saubereres, gefiltertes Signal mit minimalem Verlust. Bei Messungen stellten die Forscher fest, dass ihre Filter etwa 10 bis 70 Mal schärfere Roll-offs bieten als andere Breitbandfilter.

Als letzte Komponente lieferten die Forscher Richtlinien für die genauen Breiten und Abstände der Wellenleiter, die erforderlich sind, um unterschiedliche Cutoffs für verschiedene Wellenlängen zu erreichen. Auf diese Weise sind die Filter in hohem Maße anpassbar und können in jedem Wellenlängenbereich eingesetzt werden. „Sobald Sie die zu verwendenden Materialien ausgewählt haben, können Sie die erforderlichen Wellenleiterabmessungen bestimmen und einen ähnlichen Filter für Ihre eigene Plattform entwerfen“, sagt Magden.

Schärfere Werkzeuge

Viele dieser Breitbandfilter können in einem System implementiert werden, um Signale aus dem gesamten optischen Spektrum flexibel zu verarbeiten, einschließlich der Aufteilung und Kombination von Signalen von mehreren Eingängen in mehrere Ausgänge.

Dies könnte den Weg für schärfere „optische Kämme“ ebnen, eine relativ neue Erfindung, die aus gleichmäßig verteilten Femtosekunden-Lichtimpulsen (ein Billiardstel einer Sekunde) aus dem gesamten sichtbaren Lichtspektrum besteht – wobei einige den ultravioletten und infraroten Bereich abdecken – was zu Tausenden von Lichtimpulsen führt einzelne Linien von Hochfrequenzsignalen, die „Zähnen“ eines Kamms ähneln. Breitbandige optische Filter sind entscheidend für die Kombination verschiedener Teile des Kamms, wodurch unerwünschtes Signalrauschen reduziert und sehr feine Kammzähne bei exakten Wellenlängen erzeugt werden.

Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt und konstant ist, können die Zähne des Kamms wie ein Lineal verwendet werden, um das von Objekten emittierte oder reflektierte Licht für verschiedene Zwecke zu messen. Eine vielversprechende neue Anwendung für die Kämme ist der Antrieb „optischer Uhren“ für GPS-Satelliten, die möglicherweise den Standort eines Mobiltelefonbenutzers auf den Zentimeter genau lokalisieren oder sogar dabei helfen könnten, Gravitationswellen besser zu erkennen. GPS verfolgt die Zeit, die ein Signal benötigt, um von einem Satelliten zum Telefon des Benutzers zu gelangen. Weitere Anwendungen umfassen hochpräzise Spektroskopie, die durch stabile optische Kämme ermöglicht wird, die verschiedene Teile des optischen Spektrums in einem Strahl kombinieren, um die optischen Signaturen von Atomen, Ionen und anderen Partikeln zu untersuchen.

Bei diesen und anderen Anwendungen ist es hilfreich, Filter zu haben, die breite und sehr unterschiedliche Teile des optischen Spektrums in einem Gerät abdecken.

„Sobald wir wirklich präzise Uhren mit scharfen optischen und Hochfrequenzsignalen haben, können Sie eine genauere Positionierung und Navigation sowie eine bessere Rezeptorqualität erzielen und mit der Spektroskopie Zugang zu Phänomenen erhalten, die Sie vorher nicht messen konnten“, sagt Magden.