微型芯片极大地提高了精密光学的性能

江苏激光联盟导读：

一项来自Rochester大学的研究表明，使用微型芯片能极大提高精密光学的性能。

由光学助理教授Jaime Cardenas和博士生MeitingSong(第一作者)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。潜在的应用包括更灵敏的设备，用于测量镜子上的微小缺陷，或污染物在大气中的扩散，并最终用于量子应用。图片来源：University of Rochester / J. Adam Fenster

通过合并两个或更多光源，干涉仪产生的干涉图案可以提供关于它们所照射的一切的非常详细的信息，从镜子上的一个微小缺陷，到大气中污染物的扩散，再到宇宙中遥远地方的引力图案。

Rochester大学的光学助理教授Jaime Cardenas说:“如果你想测量非常高精度的东西，你几乎总是使用光学干涉仪，因为光会产生非常精确的尺子。”

现在，Cardenas实验室已经发明了一种方法，使这些光学机器更加有用和灵敏。博士生Meiting Song第一次在1mm × 1mm的集成光子芯片上封装了一种放大干涉信号的实验方法——不增加相应的外来、不必要的输入或“噪声”。《Nature Communications》上描述的这一突破是基于由Rochester大学物理学教授Andrew Jordan和他实验室的学生开发的波导弱值放大理论。

一种芯片上的弱值器件的原理图，由带有相位前倾角的MZI和作为读出的MMI组成。加热器对波导施加一个相移。b自由空间Sagnac弱值放大干涉仪。c相对于探测器坐标，在弱值放大(红色)和反弱值放大(蓝色)设置下自由空间暗口的光束剖面。在反弱值状态下，光束剖面类似于HG1模式，而在弱值状态下，它类似于HG0模式。d反弱值放大光束剖面的Hermite-Gaussian系数。

Jordan和他的团队研究弱价值放大已经超过10年了。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，弥补了自由空间和波导弱值放大之间的差距。因此，他们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，你可以把弱价值放大技术看作是免费的放大。这并不完全是免费的，因为你牺牲了能量，你可以在不增加噪声的情况下放大信号——这是一件非常重要的事情。” Cardenas说。

传统的干涉术(左)需要精心设置的镜子和激光系统，所有这些都需要非常辛苦和仔细地校准。” Cardenas说,“Song提炼了所有这些，并将其放入一个光子芯片中。”芯片只需要一个显微镜(右)。资料来源: University of Rochester / J. Adam Fenster

弱值放大是基于光的量子力学，基本上只涉及将包含所需信息的特定光子导向探测器。这个概念之前已经演示过了。“但它总是在实验室里有一个大的装置，有一张桌子，一堆镜子和激光系统，所有这些都是非常辛苦和仔细地对准的。” Cardenas说。

“Meiting把所有这些都提炼出来，放进一个光子芯片里，” Cardenas说。“通过把干涉仪放在芯片上，你可以把它放在火箭上，或者直升机上，或者你的手机里——无论你想放在哪里——它都不会错位。”

Song发明的设备看起来不像传统的干涉仪。装置没有使用一组倾斜的镜子来弯曲光并产生干涉图案，而是包含了一个波导，该波导设计用于传播光场的波前通过芯片。

Cardenas说：“这是这篇论文的新意之一，没有人真正讨论过光子芯片上的波前工程。”

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说说，这实际上是有限制的，因为与干涉仪一起使用的传统探测器在饱和之前只能处理这么多的激光功率，在饱和之前，信号噪声比不能提高。

Jaime Cardenas (左) 和 Meiting Song 在Rochester光学研究所的 Cardenas 实验室。来源：Universityof Rochester / J. Adam Fenster

Song的装置通过在探测器上用更少的光达到相同的干涉仪信号，消除了这一限制，从而留下了通过继续增加激光功率来提高信噪比的空间。

最后结论是，“如果Meiting的弱值设备与传统干涉仪到达探测器的功率相同，她的设备总是有更好的信噪比，” Cardenas说。“这项工作真的很酷，真的很微妙，有很多非常好的物理和工程背景。”

下一步将包括将该设备用于相干通信和量子应用，使用压缩或纠缠光子使量子陀螺仪等设备成为可能。

其他合作者包括 Cardenas实验室的Yi Zhang和Juniyali Nauriyal，物理和天文系的John Steinmetz，以及Hoplite AI的Kevin Lyons。

来源：Enhanced on-chip phase measurementby inverse weak value amplification, Nature Communications (2021). DOI:10.1038/s41467-021-26522-2

江苏激光联盟陈长军原创作品！