小芯片提高光学仪器测量精度

罗切斯特大学研究人员共同开发的1平方毫米的集成光子芯片将使干涉仪精度更高。图片来源:罗切斯特大学/ J. Adam Fenster

  从镜子上的微小缺陷,到大气中污染物的扩散,再到宇宙深处的引力波,通过合并两个或多个光源,干涉仪产生的干涉图样可以提供一切事物的详细信息。

  “想要进行非常精确的测量,光学干涉仪必不可少,因为光可以成为非常精确的‘尺子’。”美国罗切斯特大学光学助理教授Jaime Cardenas说。

  现在,Cardenas的实验室发明了一种方法,使这种光学机器更加灵敏。罗切斯特大学博士生宋美廷(音译)首次在1平方毫米的集成光子芯片上验证了一种实验方法,可以在不增加无关且不必要的输入或“噪声”的情况下放大干涉信号。近日发表在《自然—通讯》的这一突破,基于该校物理学教授Andrew Jordan和实验室学生开发的波导弱值放大理论。

  Jordan和团队研究弱值放大已有十多年。他们以一种新颖的方式将模态分析应用于具有弱值放大功能的自由空间干涉仪上,弥补了自由空间与波导弱值放大之间的差距,并由此证明了在光子芯片上集成弱值放大的理论可行性。

  弱值放大是基于光的量子力学,基本上只涉及包含所需信息的特定光子导向探测器。Cardenas说,这个概念曾被演示过,但“总是要在实验室里放置一张桌子、一堆镜子和激光系统,这些物件排列起来非常耗时和辛苦”。

  “我们将所有这些物质提炼出来,放入光子芯片中。通过把干涉仪装在芯片上,你可以把它放在火箭、直升机,或者手机上。放在哪里它都不会偏移。”Cardenas说。

  与传统的干涉仪不同,新装置没有使用一组倾斜的镜子来弯曲光线并产生干涉图样,而是使用了一个设计好的波导来传播光场的波。Cardenas说,这是该研究的新颖之处。

  在传统干涉仪中,只要简单地提高激光功率,就可以提高信噪比,从而产生更有意义的输入。但Cardenas说,这实际上是有限制的,因为传统的干涉仪探测器只能处理有限的激光功率,在达到饱和前,信号噪声比并不能提高。

  新装置通过在探测器上以更少的光达到相同的干涉仪信号,消除了这一限制,这为通过继续增加激光功率从而增加信噪比留下了空间。“如果以传统干涉仪相同的功率到达新弱值,新设备总是会有更好的信噪比。”Cardenas说,“这项工作真的很酷,有很多非常棒的物理和工程应用在后台进行。”

  他表示,下一步将把该设备用于相干通信和使用压缩或纠缠光子的量子应用,使量子陀螺仪等设备成为可能。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41467-021-26522-2

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