Метод обратного проектирования повышает производительность и надежность встроенных спектрометров.

В исследовании опубликовано в Инженерное делоИсследователи из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики и Чжэцзянского университета представили новаторский подход к разработке встроенных вычислительных спектрометров, знаменуя новую эру высокопроизводительных и надежных интегрированных спектрометров. Эта инновационная методология обратного проектирования предлагает значительный шаг вперед в технологии спектрометров, решая давние проблемы с производительностью и воспроизводимостью.

Вычислительные спектрометры приобрели известность как многообещающее решение для комплексной спектрометрии — технологии, жизненно важной для различных приложений, от мониторинга окружающей среды до медицинской диагностики. Эти устройства обычно используют неупорядоченные структуры для повышения производительности и устойчивости. Однако распространенный метод проектирования таких спектрометров — использование случайных подходов грубой силы — оказался неэффективным, что привело к непоследовательным и неоптимальным результатам.

Исследовательская группа под руководством Анга Ли и Ифаня Ву взялась за решение этих проблем, внедрив новый подход обратного проектирования, в котором используются алгоритмы, основанные на биологии. Традиционно инверсный дизайн оптимизировал однофотонные устройства с простыми критериями производительности. Это исследование знаменует собой значительный шаг вперед в применении обратного проектирования к сложным системам, состоящим из множества коррелирующих компонентов, тем самым обращаясь к сложным спектральным характеристикам.

Новый подход к проектированию использует оптимизацию роя частиц (PSO), алгоритм, вдохновленный естественными процессами, такими как скопление птиц. Эта биотехнология, разработанная специально для вычислительных спектрометров, использовалась для оптимизации нового типа неупорядоченной фотонной структуры. В отличие от предыдущих методов, основанных на эффектах рассеяния или поглощения, этот подход использует интерферометрические эффекты, которые значительно уменьшают потери и повышают чувствительность.

Результаты впечатляют. Недавно разработанный спектрометр позволил добиться замечательного 12-кратного улучшения спектрального разрешения по сравнению с традиционными методами.

Кроме того, взаимная корреляция между фильтрами была уменьшена в четыре раза, что привело к более точному и надежному спектральному анализу. Производительность спектрометра была подтверждена его применением в качестве анализатора спектра для датчиков с волоконной брэгговской решеткой (ВБР), что еще раз продемонстрировало его практическую полезность.

Внедрение этого метода обратного проектирования представляет собой крупный прогресс в области интегральных спектрометров. Преодолевая ограничения случайного подхода к проектированию, новый метод обеспечивает масштабируемое и экономически эффективное решение для массового производства. Интеграция спектрометра в платформу кремниевой фотоники подчеркивает его потенциал для широкого внедрения, открывая путь к высокопроизводительной спектрометрии в различных отраслях.

Эта разработка не только повышает практичность интегрированных спектрометров, но и открывает двери для новых приложений и усовершенствований оптических технологий. Успех команды в применении PSO к сложным системам может вдохновить на дальнейшие исследования и инновации в фотонике, что потенциально приведет к прорывам в других областях, таких как телекоммуникации и сенсорные технологии.

Работа исследовательской группы закладывает прочную основу для будущих разработок в области вычислительной спектрометрии. Благодаря новому подходу обратного проектирования эта область готова увидеть улучшения как в производительности, так и в надежности. По мере развития технологии она обещает изменить способы проведения спектрального анализа и интегрировать эти инструменты в разнообразные технологические приложения.