Espectrômetro de infravermelho que cabe em um chip

Dispositivo feito por pesquisadores da Unicamp poderá ser integrado a drones, smartphones e outros equipamentos para detectar compostos químicos e monitorar remotamente gases de efeito estufa

Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Um dos instrumentos de pesquisa mais utilizados para identificar e analisar substâncias químicas, os espectrômetros de infravermelho por transformada de Fourier (FTIR, na sigla em inglês) são volumosos, o que impossibilita seu uso em campo para detecção de compostos.

A fim de diminuir as dimensões do equipamento têm sido feitas diversas tentativas de desenvolver espectrômetros FTIR miniaturizados, que possam ser integrados a drones, telefones celulares e outros dispositivos, de modo a possibilitar a monitoração de gases de efeito estufa de forma remota, por exemplo. O custo de fabricação desses espectrômetros FTIR miniaturizados, contudo, ainda é alto, o que inviabiliza sua utilização em larga escala.

Para superar essas limitações, um grupo de pesquisadores do Laboratório de Pesquisa em Dispositivos (LPD) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), em colaboração com colegas da University of California em San Diego, nos Estados Unidos, desenvolveram um espectrômetro FTIR baseado em fotônica de silício – a mesma tecnologia usada hoje para fabricação de chips de computadores, smartphones e outros dispositivos eletrônicos.

Resultado de uma pesquisa de doutorado e de um estágio de pesquisa no exterior, realizados pelo estudante Mário César Mendes Machado de Souza, com Bolsas da FAPESP e sob orientação do professor Newton Frateschi, o novo espectrômetro foi descrito em um artigo publicado na revista Nature Communications.

“A tecnologia de fotônica de silício oferece uma plataforma para a fabricação de espectrômetros miniaturizados de alto desempenho e baixo custo”, disse Souza, autor do projeto e primeiro autor do artigo, à Agência FAPESP.

De acordo com Souza, os espectrômetros FTIR permitem a identificação de compostos químicos por meio da irradiação de um feixe de luz infravermelha em uma amostra e, na sequência, a medição da quantidade de luz e os comprimentos de onda absorvidos. O padrão de absorção (espectro) fornece informações sobre a composição química da amostra.

Nos últimos anos começaram a surgir diversos projetos voltados ao desenvolvimento desse instrumento baseado na tecnologia de fotônica integrada, que utiliza luz especialmente no espectro infravermelho. As tentativas não tinham avançado até então em razão de vários desafios técnicos, explicou Souza.

Um deles é que as guias de ondas de silício são altamente dispersivas, ou seja, cada comprimento de onda viaja com uma velocidade diferente nesse material e, dessa forma, apresentam índices de refração (velocidade) diferentes.

A fim de sintonizar o índice de refração das guias de ondas ópticas em silício tem sido utilizado o efeito termo-óptico, que consiste em passar uma corrente sobre a guia de onda de modo a esquentá-la. Como o dispositivo precisa ser operado em altas temperaturas para que tenha grande resolução, essa técnica se torna não linear, ou seja, uma mudança na temperatura também altera o índice de refração de maneira não proporcional.

“Na prática, o que acontece quando se aplica o efeito termo-óptico em um espectrômetro de infravermelho baseado em silício e com fotônica integrada é que ao fazer as operações matemáticas, chamadas de transformadas de Fourier, para converter os dados recolhidos no espectro de radiação, o resultado é completamente errado”, resumiu Souza.

Os pesquisadores conseguiram superar esses desafios ao criar um método de calibração a laser que permite quantificar e corrigir as distorções causadas pela dispersão e não linearidade das guias de onda de silício. Como prova de conceito, eles desenvolveram um chip de espectrômetro FTIR com 1 milímetro quadrado (mm2) baseado em procedimentos-padrão de fabricação de fotônica de silício.

O chip foi testado em uma bancada experimental em laboratório e produziu um espectro de teste de banda larga com uma resolução espectral de 0,38 terahertz (THz), que é comparável à resolução de espectrômetros portáteis comerciais existentes hoje e que operam na mesma faixa de comprimento de onda, afirmam os pesquisadores.

“Desenvolvemos um dispositivo que nem de longe é otimizado e, mesmo assim, já atinge resoluções comparáveis às dos espectrômetros portáteis comerciais existentes hoje, baseados em óptica de espaço livre”, comparou Souza.

O objetivo dos pesquisadores, agora, é implementar um dispositivo que seja totalmente funcional e integrado com fotodetectores, fontes de luz e fibras ópticas.

“A ideia é que tanto a fonte de luz como o detector do espectrômetro sejam integrados em uma mesma plataforma”, disse Souza.

O artigo Fourier transform spectrometer on silicon with thermo-optic non-linearity and dispersion correction (doi: 10.1038/s41467-018-03004-6), de Mario C. M. M. Souza, Andrew Grieco, Newton C. Frateschi e Yeshaiahu Fainman, pode ser lido na revista Nature Communications em www.nature.com/articles/s41467-018-03004-6.