Команда учёных из альянса Singapore-MIT Alliance for Research and Technology (SMART) разработала самый маленький в мире кремниевый светодиод, на основе которого можно создать портативный голографический микроскоп, интегрируемый даже в камеру обычного смартфона.
Фотоника – это дисциплина, исследующая свойства мельчайших частиц электромагнитного поля – фотонов для их использования в сфере обработки и передачи сигналов. Инновации в данной отрасли привели к развитию множества сфер, включая медицину, оптоэлектронные коммуникации, электронику и пр. В основе этих технологий лежат фотонные интегральные схемы – микрочипы с двумя и более фотонными компонентными, отвечающими за обнаружение, генерацию, транспорт и обработку световых сигналов. На протяжении многих лет одним из самых серьёзных камней преткновения в эволюции фотонных микрочипов была невозможность полноценной интеграции миниатюрных энергоэффективных источников света, в то время как внешние источники оставались недостаточно энергоэффективными, что ограничивало перспективы масштабирования фотонных чипов. Исследователи SMART разработали самый крошечный в мире кремниевый светодиод диаметром 400 нм, который не уступает по производительности полноразмерным аналогам и может интегрироваться в фотонный микрочип. Диод работает в ближнем ИК-диапазоне при излучающей площади всего 0,14 мкм2.
Прежде излучатели было практически невозможно интегрировать в традиционную КМОП-матрицу, однако новый миниатюрный светодиод без проблем поместился на 55-нм КМОП-платформе параллельно с прочими фотонными и электронными компонентами. Для оценки эффективности своей разработки учёные поместили матрицу с интегрированным излучателем в безлинзовый голографический микроскоп. Микроскопы данного типа отличаются компактностью и меньшей стоимостью, поскольку они не нуждаются в сложных линзовых системах, требующих дорогостоящего обслуживания и тонкой настройки. Голографические микроскопы используют источник света для подсветки образцов: отражённый от исследуемого материала свет улавливает КМОП-матрица, которая генерирует цифровую голограмму. Её считывает компьютер, обрабатывает и конвертирует в изображение.
Реконструкция изображения по голограмме является одним из сложнейших этапов голографической микроскопии, поскольку она требует детальной информации об апертуре, характеристиках источника света, включая длину волны его излучения, а также о точном расстоянии между сенсором и объектом исследования. Для оптимизации этого процесса исследователи разработали нейросететвой алгоритм, способный имитировать активность человеческого мозга и совершенствовать свои навыки по ходу работы. Учёные обнаружили, что созданный ими светодиод позволил собрать высокоточный голографический микроскоп с разрешающей способностью, превосходящей возможности обычных оптических устройств. По расчётам специалистов, его разрешение составляет около 20 мкм. Для сравнения, диаметр клеток человеческой кожи составляет от 20 до 40 мкм, а диаметр лейкоцитов – от 5 до 30 мкм.
Учёные из альянса SMART считают, что разработанные ими миниатюрный светодиод и нейросеть найдут применение в широком спектре задач, включая исследование микроскопических объектов вроде клеток тканей живых организмов. Более того, исследователи уверены, что данные технологии возможно интегрировать в современные смартфоны, превращая их в доступный и эффективный научный инструмент путём незначительных модификаций аппаратной платформы и программного обеспечения.