微型芯片大大提高光学精度

由罗切斯特大学光学助理教授Jaime Cardenas和博士生、第一作者宋美廷共同开发的1毫米乘1毫米的集成光子芯片将使干涉仪——也就是精密光学——更加强大。其潜在应用包括用于测量镜子上微小缺陷或大气中污染物扩散的更灵敏的设备，以及最终的量子应用。图片来源：罗彻斯特大学/ 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图样，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其照射的一切事物的详细信息。

“如果想要测量非常精确的东西，你几乎总会使用光学干涉仪，因为光可以成为非常精确的尺子。”罗切斯特大学的光学助理教授Jaime Cardenas说。

现在，Cardenas的实验室发明了一种方法，使这些光学机器更加有用和灵敏。博士生宋美廷（音译）首次在1毫米乘1毫米的集成光子芯片上封装了一种实验方法，可以在不增加无关的、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，是基于由罗彻斯特大学物理学教授Andrew Jordan和实验室的学生们开发的波导弱值放大理论。

Jordan和团队研究弱价值放大已超过十年。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，因此能够证明在光子芯片上集成弱值放大的理论可行性。

“基本上，你可以将弱值放大技术视为免费放大。这并不是完全免费的，因为会消耗电力，但它几乎是免费的，因为你可以放大信号而不增加噪声。这是一个非常大的问题。”Cardenas说。

传统的干涉测量法（左）需要精心设置镜子和激光系统，所有这些都需要非常精心和仔细地对齐。宋美廷“将这些提炼出来，放入光子芯片中”，该芯片只需要一个显微镜（右图）。图片来源：罗彻斯特大学/ J. Adam Fenster

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“总需要在实验室里放置一张桌子、一堆镜子和激光系统，这些仔细排列起来非常耗时和辛苦”。

“宋美廷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上、直升机上，或者手机上。你想放在哪里，它永远都不会偏移。”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前穿过芯片。Cardenas说，这是这篇论文的新颖之处之一。

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，在达到饱和之前，信号噪声比不能提高。

Cardenas（左）和宋美廷在实验室。图片来源：罗彻斯特大学/ J. Adam Fenster

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，这为继续增加激光功率增加信噪比留下了空间。“如果与传统干涉仪相同的功率到达新弱值设备的探测器，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