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 надежных, высокопроизводительных интегрированных спектрометров. Эта инновационная методология обратного проектирования предлагает значительный шаг вперед в технологии спектрометров, решая давние проблемы в области производительности и воспроизводимости.

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

Исследовательская группа под руководством Анга Ли и Ифаня Ву решила эти проблемы, внедрив новый подход обратного проектирования, в котором используются алгоритмы, основанные на биологии. Традиционно инверсный дизайн оптимизирует однофотонные устройства с помощью простых критериев производительности. Это исследование знаменует собой значительный прогресс в применении обратного проектирования к сложным системам, состоящим из множества коррелирующих компонентов, что позволяет решать сложные спектральные реакции.

Новый подход к проектированию использует оптимизацию роя частиц (PSO), алгоритм, вдохновленный естественными процессами, такими как скопление птиц. Этот биологический метод, специально разработанный для вычислительных спектрометров, использовался для оптимизации нового типа неупорядоченной фотонной структуры. В отличие от предыдущих методов, которые основывались на эффектах рассеяния или поглощения, этот подход использует интерферометрические эффекты, которые значительно уменьшают потери и улучшают чувствительность.

Результаты впечатляют. Недавно разработанный спектрометр достиг значительно улучшенного спектрального разрешения в 12 раз по сравнению с традиционными методами.

Кроме того, взаимная корреляция между фильтрами уменьшена в четыре раза, что обеспечивает более точный и надежный спектральный анализ. Производительность спектрометра была подтверждена его применением в качестве анализатора спектра для датчиков на волоконной брэгговской решетке (ВБР), что продемонстрировало его практическую полезность.

Внедрение этого метода обратного проектирования представляет собой крупный прогресс в области интегрированных спектрометров. Преодолевая ограничения рандомизированных подходов 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 новые исследования и инновации в фотонике, что потенциально приведет к прорывам в других областях, таких как телекоммуникации и сенсорные технологии.

Работа исследовательской группы обеспечивает прочную основу для будущих разработок в области вычислительной спектрометрии. Новый инверсный подход к проектированию открывает возможности для улучшения производительности и надежности. По мере развития технологии она обещает изменить способы выполнения спектрального анализа и способы интеграции этих инструментов в различные технологические приложения.