微型芯片大大提高光學精度
由羅切斯特大學光學助理教授Jaime Cardenas和博士生、第一作者宋美廷共同開發的1毫米乘1毫米的集成光子芯片將使干涉儀——也就是精密光學——更加強大。其潛在應用包括用于測量鏡子上微小缺陷或大氣中污染物擴散的更靈敏的設備，以及最終的量子應用。圖片來源：羅徹斯特大學/ J. Adam Fenster
從鏡子上的微小缺陷，到大氣中污染物的擴散，再到宇宙深處的引力圖樣，通過合并兩個或多個光源，干涉儀產生的干涉圖樣可以提供其照射的一切事物的詳細信息。
“如果想要測量非常精確的東西，你幾乎總會使用光學干涉儀，因為光可以成為非常精確的尺子。”羅切斯特大學的光學助理教授Jaime Cardenas說。
現在，Cardenas的實驗室發明了一種方法，使這些光學機器更加有用和靈敏。博士生宋美廷（音譯）首次在1毫米乘1毫米的集成光子芯片上封裝了一種實驗方法，可以在不增加無關的、不必要的輸入或“噪聲”的情況下放大干涉信號。近日發表在《自然—通訊》的這一突破，是基于由羅徹斯特大學物理學教授Andrew Jordan和實驗室的學生們開發的波導弱值放大理論。
Jordan和團隊研究弱價值放大已超過十年。他們以一種新穎的方式將模態分析應用于具有弱值放大的自由空間干涉儀上，彌補了自由空間與波導弱值放大之間的差距，因此能夠證明在光子芯片上集成弱值放大的理論可行性。
“基本上，你可以將弱值放大技術視為免費放大。這并不是完全免費的，因為會消耗電力，但它幾乎是免費的，因為你可以放大信號而不增加噪聲。這是一個非常大的問題。”Cardenas說。
傳統的干涉測量法（左）需要精心設置鏡子和激光系統，所有這些都需要非常精心和仔細地對齊。宋美廷“將這些提煉出來，放入光子芯片中”，該芯片只需要一個顯微鏡（右圖）。圖片來源：羅徹斯特大學/ J. Adam Fenster
弱值放大是基于光的量子力學，基本上只涉及包含所需信息的特定光子導向探測器。Cardenas說，這個概念曾被演示過，但“總需要在實驗室里放置一張桌子、一堆鏡子和激光系統，這些仔細排列起來非常耗時和辛苦”。
“宋美廷將所有這些物質提煉出來，放入光子芯片中。通過把干涉儀裝在芯片上，你可以把它放在火箭上、直升機上，或者手機上。你想放在哪里，它永遠都不會偏移。”Cardenas說。
與傳統的干涉儀不同，新裝置沒有使用一組傾斜的鏡子來彎曲光線并產生干涉圖樣，而是使用了一個設計好的波導來傳播光場的波前穿過芯片。Cardenas說，這是這篇論文的新穎之處之一。
在傳統干涉儀中，只要簡單地提高激光功率，就可以提高信噪比，從而產生更有意義的輸入。但Cardenas說，這實際上是有限制的，因為傳統的干涉儀探測器只能處理有限的激光功率，在達到飽和之前，信號噪聲比不能提高。
Cardenas（左）和宋美廷在實驗室。圖片來源：羅徹斯特大學/ J. Adam Fenster
新裝置通過在探測器上以更少的光達到相同的干涉儀信號，消除了這一限制，這為繼續增加激光功率增加信噪比留下了空間。“如果與傳統干涉儀相同的功率到達新弱值設備的探測器，新設備總是會有更好的信噪比。”Cardenas說，“這項工作真的很酷，有很多非常棒的物理和工程在后臺進行。”
他表示，下一步將把該設備用于相干通信和使用壓縮或糾纏光子的量子應用，使量子陀螺儀等設備成為可能。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26522-2
