傅立葉變換紅外(FTIR)光譜儀，是識(shí)別和分析化合物最常用的研究工具之一，但由于其體型過(guò)于龐大，很難用于現(xiàn)場(chǎng)化合物檢測(cè)。目前，各國(guó)研究人員都在開發(fā)微型紅外光譜儀，用于溫室氣體遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)o人機(jī)或智能手機(jī)等其他設(shè)備的集成。然而，由于目前微型器件生產(chǎn)成本很高，還無(wú)法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模使用。 　　

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，巴西坎皮納斯大學(xué)設(shè)備研究實(shí)驗(yàn)室(the University of Campinas’s Device Research Laboratory ，LPD-UNICAMP)的研究者與美國(guó)加州大學(xué)圣地亞哥分校(the University of California San Diego)的同行合作，通過(guò)開發(fā)一種基于硅光子學(xué)的FTIR光譜儀克服了這些限制，這項(xiàng)技術(shù)目前常用于計(jì)算機(jī)、智能手機(jī)和其他電子設(shè)備的芯片制造。 　　

該成果來(lái)自于Mário César Mendes Machado de Souza的博士研究及海外實(shí)習(xí)研究，由Newton Frateschi教授指導(dǎo)，并受到FAPESP的獎(jiǎng)學(xué)金資助。該新型光譜儀的研究成果已發(fā)表于《自然通訊(Nature Communications)》雜志。Souza是該論文的主要作者，也是該項(xiàng)目的創(chuàng)立者。 　　

Souza在Agência FAPESP的訪談中說(shuō)道：“硅光子學(xué)為制造經(jīng)濟(jì)型高性能的微型光譜儀提供了一個(gè)平臺(tái)。” 　　

根據(jù)Souza的研究，F(xiàn)TIR光譜儀通過(guò)使用紅外光源測(cè)量吸收來(lái)識(shí)別化學(xué)物質(zhì)。首先讓樣品暴露在不同波長(zhǎng)的紅外線中，然后使用光譜儀測(cè)量被吸收的波長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)接收這些原始的吸收數(shù)據(jù)，并進(jìn)行傅里葉變換數(shù)學(xué)處理來(lái)獲得特征吸收或光譜，然后與化學(xué)化合物光譜庫(kù)比對(duì)，就可找到匹配對(duì)象，從而識(shí)別化合物。 　　

Souza解釋道：近年來(lái)，各類項(xiàng)目都在開發(fā)針對(duì)紅外光譜的集成光子學(xué)FTIR光譜儀，但是由于技術(shù)上存在著挑戰(zhàn)，目前的研究進(jìn)展還很有限。 　　

該研究挑戰(zhàn)之一就是硅光波導(dǎo)的高色散分布，這意味著每種波長(zhǎng)在這種材料中會(huì)以不同的速度傳播，因此會(huì)有不同的折射率。 　　

硅光波導(dǎo)的折射率可以通過(guò)熱光學(xué)效應(yīng)“調(diào)諧”，通過(guò)在波導(dǎo)上施加電流以對(duì)其進(jìn)行加熱。由于該器件必須在高溫下運(yùn)行才能獲得高分辨率，而溫度變化與折射率的不均勻變化相關(guān)，因而在這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)該技術(shù)是非線性的。 　　

Souza補(bǔ)充道：“在實(shí)踐中，當(dāng)熱光學(xué)效應(yīng)被應(yīng)用到集成光子學(xué)的硅基紅外光譜儀中時(shí)，使用轉(zhuǎn)換輻射頻譜數(shù)據(jù)的傅里葉變換數(shù)學(xué)運(yùn)算就會(huì)產(chǎn)生完全錯(cuò)誤的結(jié)果。” 　　

研究人員通過(guò)建立一種激光校準(zhǔn)方法來(lái)量化和校正由硅光波導(dǎo)色散和非線性引起的畸變，就可以成功地克服這些挑戰(zhàn)。他們開發(fā)了一款基于標(biāo)準(zhǔn)硅光子制造工藝的1 mm2大小的FTIR光譜儀芯片，來(lái)證明此概念的可行性。 　　

研究人員稱，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中對(duì)該芯片進(jìn)行了測(cè)試，該芯片產(chǎn)生了分辨率為0.38太赫茲(THz)的寬帶頻譜，這與相同波長(zhǎng)范圍內(nèi)運(yùn)行的商用便攜式光譜儀的分辨率相當(dāng)。Souza說(shuō)：“我們開發(fā)的器件雖然還未經(jīng)過(guò)優(yōu)化，但仍能達(dá)到與市面上便攜式自由空間光學(xué)光譜儀相媲美的分辨率。” 　　

目前，研究人員計(jì)劃設(shè)計(jì)一款完全實(shí)用的，可與光電探測(cè)器、光源和光纖集成的器件。Souza說(shuō)：“我們的目標(biāo)是將光源與光譜儀探測(cè)器集成到同一個(gè)平臺(tái)上。”

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