Un espectrómetro de infrarrojo que cabe en un chip

Es un dispositivo elaborado por científicos brasileños que podrá integrarse a drones, smartphones y otros aparatos para detectar compuestos químicos y monitorear gases de efecto invernadero en forma remota

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Los espectrofotómetros de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR, por sus siglas en inglés) son instrumentos de investigación que se encuentran entre los más empleados en la identificación y el análisis de sustancias químicas. Y son voluminosos, lo que impide su uso en campo para la detección de compuestos.

A los efectos de disminuir las dimensiones de estos aparatos, se han realizado distintos intentos tendientes a desarrollar espectrómetros FTIR miniaturizados para equipar drones, teléfonos celulares y otros dispositivos, de manera tal de hacer posible el monitoreo de gases de efecto invernadero en forma remota, por ejemplo. Pero el costo de fabricación de esos espectrómetros FTIR miniaturizados aún es alto, lo cual inviabiliza su utilización a gran escala.

Para superar esas limitaciones, un grupo de científicos del Laboratorio de Investigación en Dispositivos (LPD) de la Universidad de Campinas (Unicamp), en Brasil, en colaboración con pares de la University of California en San Diego, Estados Unidos, desarrollaron un espectrómetro FTIR basado en fotónica de silicio, la misma tecnología que se emplea actualmente en la fabricación de chips de computadoras, teléfonos inteligentes y otros dispositivos electrónicos.

El nuevo espectrómetro, producto de una investigación doctoral y de una pasantía de investigación en el exterior, realizadas por el estudiante Mário César Mendes Machado de Souza con becas de la FAPESP y bajo la dirección del profesor Newton Frateschi, aparece descrito en un artículo publicado en la revista Nature Communications.

“La tecnología de fotónica de silicio ofrece una plataforma para la fabricación de espectrómetros miniaturizados de alto desempeño y bajo costo”, declaró Machado de Souza, autor del proyecto y primer autor del artículo, a Agência FAPESP.

De acuerdo con el investigador, los espectrómetros FTIR permiten la identificación de compuestos químicos mediante la irradiación de un haz de luz infrarroja en una muestra y la posterior medición de la cantidad de luz y las longitudes de onda absorbidas. El patrón de absorción (el espectro) suministra información referente a la composición química de la muestra.

Durante los últimos años han empezado a surgir diversos proyectos orientados hacia el desarrollo de estos instrumentos basados en la tecnología de fotónica integrada, mediante la utilización de la luz especialmente en el espectro del infrarrojo. Pero los intentos no habían avanzado hasta ahora en razón de diversos desafíos técnicos, según explicó Machado de Souza.

Uno de ellos indica que las guías de ondas de silicio son altamente dispersivas, es decir que cada longitud de onda viaja a una velocidad distinta en ese material, y por ello exhiben índices de refracción (velocidad) diferentes.

A los efectos de sintonizar el índice de refracción de las guías de ondas ópticas en silicio, se ha venido utilizando el efecto termoóptico, que consiste en hacer pasar una corriente sobre la guía de onda de modo tal de calentarla. Como a este dispositivo debe operárselo a altas temperaturas para que tenga gran resolución, esta técnica se vuelve no lineal o, en otras palabras, una alteración de la temperatura también altera el índice de refracción de manera no proporcional.

“En la práctica, lo que sucede cuando se le aplica el efecto termoóptico a un espectrómetro de infrarrojo basado en silicio y con fotónica integrada consiste en que al efectuar las operaciones matemáticas denominadas transformadas de Fourier para convertir los datos recabados en el espectro de radiación, el resultado está completamente equivocado”, resumió Machado de Souza.

Los científicos lograron superar estos desafíos al crear un método de calibración con láser que permite cuantificar y corregir las distorsiones que provoca la dispersión y la no linealidad de las guías de onda de silicio. Como prueba de concepto desarrollaron un chip de espectrómetro FTIR de 1 milímetro cuadrado (mm²) basado en procedimientos estándar de fabricación de fotónica en silicio.

Este chip se testeó en un banco de ensayos experimental de laboratorio y produjo un espectro de prueba de banda ancha con una resolución espectral de 0,38 terahercios (THz), que es comparable a la resolución de los espectrómetros portátiles comerciales existentes en la actualidad y que operan en el mismo rango de longitud de onda, según afirman los investigadores.

“Desarrollamos un dispositivo que ni por asomo está optimizado y, así y todo, llega a resoluciones comparables con las de los espectrómetros portátiles comerciales existentes actualmente, que se basan en óptica en espacio libre”, comparó Machado de Souza.

El objetivo de los científicos consiste ahora en desarrollar un dispositivo que sea totalmente funcional y que cuente con fotodetectores, fuentes de luz y fibra óptica.

“La idea es que tanto la fuente de luz como el detector del espectrómetro estén integrados en una misma plataforma”, dijo Souza.

Puede leerse el artículo intitulado 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 y Yeshaiahu Fainman, en la revista Nature Communications, en: nature.com/articles/s41467-018-03004-6.