羅切斯特大學研究人員共同開發(fā)的1平方毫米的集成光子芯片將使干涉儀精度更高。圖片來源：羅切斯特大學/ 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波，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一切事物的詳細信息。

　　“想要進行非常精確的測量，光學干涉儀必不可少，因為光可以成為非常精確的‘尺子’。”美國羅切斯特大學光學助理教授Jaime Cardenas說。

　　現在，Cardenas的實驗室發(fā)明了一種方法，使這種光學機器更加靈敏。羅切斯特大學博士生宋美廷（音譯）首次在1平方毫米的集成光子芯片上驗證了一種實驗方法，可以在不增加無關且不必要的輸入或“噪聲”的情況下放大干涉信號。近日發(fā)表在《自然—通訊》的這一突破，基于該校物理學教授Andrew Jordan和實驗室學生開發(fā)的波導弱值放大理論。

　　Jordan和團隊研究弱值放大已有十多年。他們以一種新穎的方式將模態(tài)分析應用于具有弱值放大功能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，并由此證明了在光子芯片上集成弱值放大的理論可行性。

　　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“總是要在實驗室里放置一張桌子、一堆鏡子和激光系統(tǒng)，這些物件排列起來非常耗時和辛苦”。

　　“我們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、直升機，或者手機上。放在哪里它都不會偏移。”Cardenas說。

　　與傳統(tǒng)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。Cardenas說，這是該研究的新穎之處。

　　在傳統(tǒng)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(tǒng)的干涉儀探測器只能處理有限的激光功率，在達到飽和前，信號噪聲比并不能提高。

　　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，這為通過繼續(xù)增加激光功率從而增加信噪比留下了空間。“如果以傳統(tǒng)干涉儀相同的功率到達新弱值，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應用在后臺進行。”

　　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