El diseño de sistemas ópticos en miniatura permite nuevas aplicaciones de la luz

En un trabajo que podría convertir los teléfonos móviles en sensores capaces de detectar virus y otros objetos minúsculos, los investigadores del MIT han construido en un chip una poderosa linterna a nanoescala.

Su enfoque para diseñar el pequeño haz de luz en un chip también podría usarse para crear una variedad de otras nano linternas con diferentes características de haz para diferentes aplicaciones. Piensa en un amplio foco frente a un haz de luz enfocado en un solo punto.

Los científicos han utilizado la luz durante mucho tiempo para identificar un material al observar cómo esa luz interactúa con el material. Lo hacen esencialmente iluminando el material con un haz de luz y luego analizando esa luz después de que atraviesa el material. Debido a que todos los materiales interactúan con la luz de manera diferente, un análisis de la luz que atraviesa el material proporciona una especie de "huella digital" para ese material.

Imagínate haciendo esto para varios colores, es decir, varias longitudes de onda de luz, y capturando la interacción de la luz con el material para cada color. Eso daría lugar a una huella digital aún más detallada.

La mayoría de los instrumentos para hacer esto, conocidos como espectrómetros, son relativamente grandes. Hacerlos mucho más pequeños tendría una serie de ventajas. Por ejemplo, podrían ser portátiles y tener aplicaciones adicionales (imagina un teléfono celular futurista cargado con un sensor autónomo para un gas específico).

Sin embargo, si bien los investigadores han hecho grandes avances hacia la miniaturización del sensor para detectar y analizar la luz que ha pasado a través de un material dado, un rayo de luz miniaturizado y con la forma apropiada, o linterna, sigue siendo un desafío. Hoy en día, ese rayo de luz es proporcionado con mayor frecuencia por equipos de macroescala como un sistema láser que no está integrado en el chip como lo están los sensores.

Sensor completo

En dos artículos recientes en Nature Scientific Reports, el equipo describe no solo su enfoque para diseñar linternas en chip con una variedad de características de haz, sino que también informan sobre la construcción y prueba exitosa de un prototipo. Es importante destacar que crearon el dispositivo utilizando tecnologías de fabricación existentes familiares para la industria de la microelectrónica, por lo que confían en que el enfoque podría implementarse a escala masiva con el menor costo que eso implica.

En general, esto podría permitir a la industria crear un sensor completo en un chip con fuente de luz y detector. Como resultado, el trabajo representa un avance significativo en el uso de fotónica de silicio para la manipulación de ondas de luz en microchips para aplicaciones de sensores.

"Este trabajo es significativo y representa un nuevo paradigma de diseño de dispositivos fotónicos, que permite mejoras en la manipulación de haces ópticos", dice Dawn Tan, profesora asociada de la Universidad de Tecnología y Diseño de Singapur que no participó en la investigación.

"La fotónica de silicio tiene mucho potencial para mejorar y miniaturizar los esquemas de biosensores existentes a escala de laboratorio. Solo necesitamos estrategias de diseño más inteligentes para aprovechar todo su potencial. Este trabajo muestra uno de esos enfoques", dice Robin Singh, autor principal de ambos artículos. Singh recibió el MS (2018) y doctorado (2020) del MIT, ambos en ingeniería mecánica.

Los coautores principales del primer artículo son Anuradha Murthy Agarwal, investigadora principal del Laboratorio de Investigación de Materiales del MIT, y Brian W. Anthony, científico investigador principal del Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT. Los coautores de Singh en el segundo artículo son Agarwal; Antonio; Yuqi Nie, ahora en la Universidad de Princeton; y Mingye Gao, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT.

nano linternas

Imagen: Esquema de tres nano linternas diferentes para la generación de haces enfocados, de gran envergadura y colimados, de izquierda a derecha. Cada uno podría tener diferentes aplicaciones. Esquema cortesía de Robin Singh.

Cómo lo hicieron

Singh y sus colegas crearon su diseño general utilizando múltiples herramientas de modelado por computadora. Estas incluyeron enfoques convencionales basados en la física involucrada en la propagación y manipulación de la luz, y técnicas de aprendizaje automático más vanguardistas en las que se enseña a la computadora a predecir potenciales soluciones utilizando grandes cantidades de datos.

"Si le mostramos a la computadora muchos ejemplos de nano linternas, puede aprender a hacer mejores linternas", dice Anthony. En última instancia, "podemos decirle a la computadora el patrón de luz que queremos, y nos dirá cuál debe ser el diseño de la linterna".

Todas estas herramientas de modelado tienen ventajas y desventajas; juntas dieron como resultado un diseño final y óptimo que se puede adaptar para crear linternas con diferentes tipos de haces de luz.

Los investigadores utilizaron ese diseño para crear una linterna específica con un haz colimado, o una en la que los rayos de luz son perfectamente paralelos entre sí. Los haces colimados son clave para algunos tipos de sensores. La linterna general que hicieron los investigadores involucró unas 500 estructuras rectangulares a nanoescala de diferentes dimensiones que el modelado del equipo predijo que permitiría un haz colimado. Las nanoestructuras de diferentes dimensiones darían lugar a diferentes tipos de haces que a su vez son clave para otras aplicaciones.

La pequeña linterna con un rayo colimado funcionó. No solo eso, proporcionó un haz que era cinco veces más potente de lo que es posible con estructuras convencionales. Eso se debe en parte a que "ser capaz de controlar mejor la luz significa que se dispersa y se pierde menos", dice Agarwal .

Singh describe la emoción que sintió al crear esa primera linterna. "Fue genial ver a través de un microscopio lo que había diseñado en una computadora. Luego lo probamos y ¡funcionó!"

Esta investigación fue apoyada en parte por la Iniciativa MIT Skoltech.

Como investigadora científica principal en el Centro de Microfotónica y la Iniciativa para el Conocimiento y la Innovación en la Fabricación (IKIM), Agarwal agradece a sus colegas por proporcionar el fértil entorno intelectual para este trabajo.

Referencias:

Design of optical meta-structures with applications to beam engineering using deep learning
Inverse design of photonic meta-structure for beam collimation in on-chip sensing


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