巴西研究人員設計了一款微型光譜儀，可集成于無人機、智能手機及用于化學化合物探測和溫室氣體遠程監控等設備

傅里葉變換紅外（FTIR）光譜儀，是識別和分析化合物最常用的研究工具之一，但由于其體型過于龐大，很難用于現場化合物檢測。目前，各國研究人員都在開發微型FTIR光譜儀，用于溫室氣體遠程監控無人機或智能手機等其他設備的集成。然而，由于目前微型器件生產成本很高，還無法實現大規模使用。

據麥姆斯咨詢報道，巴西坎皮納斯大學設備研究實驗室（the University of Campinas’s Device Research Laboratory ，LPD-UNICAMP）的研究者與美國加州大學圣地亞哥分校（the University of California San Diego）的同行合作，通過開發一種基于硅光子學的FTIR光譜儀克服了這些限制，這項技術目前常用于計算機、智能手機和其他電子設備的芯片制造。

該成果來自于Mário César Mendes Machado de Souza的博士研究及海外實習研究，由Newton Frateschi教授指導，并受到FAPESP的獎學金資助。該新型光譜儀的研究成果已發表于《自然通訊（Nature Communications）》雜志。Souza是該論文的主要作者，也是該項目的創立者。

Souza在Agência FAPESP的訪談中說道：“硅光子學為制造經濟型高性能的微型光譜儀提供了一個平臺。”

根據Souza的研究，FTIR光譜儀通過使用紅外光源測量吸收來識別化學物質。首先讓樣品暴露在不同波長的紅外線中，然后使用光譜儀測量被吸收的波長。計算機接收這些原始的吸收數據，并進行傅里葉變換數學處理來獲得特征吸收或光譜，然后與化學化合物光譜庫比對，就可找到匹配對象，從而識別化合物。

Souza解釋道：近年來，各類項目都在開發針對紅外光譜的集成光子學FTIR光譜儀，但是由于技術上存在著挑戰，目前的研究進展還很有限。

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

硅光波導的折射率可以通過熱光學效應“調諧”，通過在波導上施加電流以對其進行加熱。由于該器件必須在高溫下運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，因而在這個意義上來說該技術是非線性的。

Souza補充道：“在實踐中，當熱光學效應被應用到集成光子學的硅基紅外光譜儀中時，使用轉換輻射頻譜數據的傅里葉變換數學運算就會產生完全錯誤的結果。”

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

研究人員稱，他們在實驗室中對該芯片進行了測試，該芯片產生了分辨率為0.38太赫茲（THz）的寬帶頻譜，這與相同波長范圍內運行的商用便攜式光譜儀的分辨率相當。Souza說：“我們開發的器件雖然還未經過優化，但仍能達到與市面上便攜式自由空間光學光譜儀相媲美的分辨率。”

目前，研究人員計劃設計一款完全實用的，可與光電探測器、光源和光纖集成的器件。Souza說：“我們的目標是將光源與光譜儀探測器集成到同一個平臺上。”