Selama bertahun-tahun, menganalisis komposisi kimia suatu bahan memerlukan instrumen laboratorium yang besar dan mahal yang disebut spektrometer. Sistem ini digunakan dalam segala hal mulai dari diagnosis penyakit, pemeriksaan makanan, hingga pemantauan polusi. Spektrometer tradisional bekerja dengan membagi cahaya menjadi warna-warna komponennya menggunakan prisma atau kisi-kisi dan kemudian mengukur intensitas setiap panjang gelombang. Karena proses ini memerlukan cahaya untuk menempuh jarak yang relatif jauh, instrumen seringkali berukuran besar dan sulit untuk dibuat mini.
Kini, para peneliti di Universitas California Davis (UC Davis) telah mengembangkan alternatif yang jauh lebih kecil. Tulislah Fotonik Tingkat Lanjuttim tersebut mendeskripsikan spektrometer on-chip yang sangat kecil hingga mendekati ukuran sebutir pasir. Alih-alih mengandalkan komponen optik besar untuk memisahkan cahaya secara fisik, sistem baru ini menggunakan kecerdasan buatan (AI) dan jaringan kecil sensor yang dirancang khusus untuk merekonstruksi spektrum secara komputasi.
Mengganti optik besar dengan AI
Chip ini mengabaikan metode standar hamburan cahaya dalam pelangi. Sebaliknya, ia mengandalkan 16 detektor silikon unik, masing-masing dirancang untuk bereaksi sedikit berbeda terhadap cahaya yang masuk. Daripada mengisolasi warna individual secara langsung, detektor mengumpulkan sinyal berkode yang berisi informasi spektral tersembunyi.
Salah satu cara untuk memikirkan sistem ini adalah dengan membayangkan sekelompok ahli yang mencicipi berbagai aspek berbeda dari campuran kompleks yang sama. Secara individual, setiap detektor hanya menangkap sebagian gambar. Namun, bersama-sama mereka menghasilkan informasi yang cukup bagi AI untuk merekonstruksi spektrum cahaya aslinya.
Elemen kunci kedua adalah jaringan saraf yang terhubung sepenuhnya dan dilatih berdasarkan ribuan contoh. Karena sinyal detektor berisik dan sangat terkodekan, AI mempelajari hubungan kompleks antara sinyal ini dan spektrum cahaya sebenarnya. Pendekatan ini memecahkan apa yang para peneliti sebut sebagai “masalah terbalik”, yang memungkinkan sistem mereproduksi data spektral dengan akurasi resolusi sekitar 8 nm tanpa menggunakan perangkat keras optik yang besar.
Ekspansi silikon dalam rentang inframerah
Kemajuan besar adalah modifikasi permukaan fotodioda silikon standar dengan tekstur permukaan khusus untuk perangkap foton (PTST). Silikon biasanya bekerja dengan baik untuk mendeteksi cahaya tampak, namun mengalami kesulitan menangkap cahaya inframerah-dekat (NIR) (panjang gelombang hingga 1.100 nm). Cahaya NIR sangat penting untuk aplikasi seperti pencitraan biomedis karena dapat menembus lebih dalam ke jaringan manusia dibandingkan cahaya tampak.
Permukaan rekayasa PTST mengubah perilaku cahaya di dalam chip. Alih-alih membiarkan foton NIR melewati lapisan tipis silikon secara langsung, permukaan bertekstur menyebarkan cahaya berulang kali, sehingga meningkatkan kemungkinan silikon menyerapnya. Akibatnya, chip menjadi sensitif pada rentang spektral yang jauh lebih luas dibandingkan sensor silikon standar.
Menangkap interaksi cahaya ultra-cepat
Arsitektur baru menawarkan lebih dari sekedar deteksi warna. Chip ini juga mengintegrasikan sensor berkecepatan tinggi yang mampu mengukur masa pakai foton dengan presisi temporal yang sangat tinggi. Hal ini memungkinkan perangkat mendeteksi interaksi ultracepat antara cahaya dan materi yang mungkin terlewatkan oleh spektrometer tradisional.
Para peneliti mengatakan kemampuan ini dapat membuka pintu bagi bentuk penginderaan dan pencitraan canggih yang sebelumnya membutuhkan sistem yang jauh lebih besar dan mahal.
Jejak kecil dengan potensi besar
Sistem yang telah selesai hanya berukuran 0,4 mm persegi dengan tetap mempertahankan sensitivitas tinggi dan ketahanan yang kuat terhadap kebisingan listrik, yang merupakan tantangan besar bagi elektronik portabel berbiaya rendah. Bahkan di lingkungan yang bising, desain yang dibantu AI dapat menjaga kualitas sinyal yang jernih.
Dengan menggabungkan pembelajaran mesin dan peningkatan penginderaan cahaya pada silikon, teknologi ini dapat membuka jalan bagi perangkat penginderaan hiperspektral real-time yang ringkas. Aplikasi potensial berkisar dari diagnostik medis portabel dan monitor kesehatan yang dapat dipakai hingga penginderaan jauh lingkungan dan analisis kualitas makanan.
