Mali čip pruža veliki poticaj preciznoj optici
Spajanjem dva ili više izvora svjetlosti, interferometri stvaraju uzorke interferencije koji mogu pružiti nevjerojatno detaljne informacije o svemu što osvjetljavaju, od male greške na zrcalu, do raspršivanja zagađivača u atmosferi, do gravitacijskih uzoraka u dalekim dijelovima svemira.
"Ako želite nešto izmjeriti s vrlo velikom preciznošću, gotovo uvijek koristite optički interferometar, jer svjetlost čini vrlo precizno ravnalo", kaže Jaime Cardenas, docent optike na Sveučilištu u Rochesteru.
Meiting Song, doktorski student, po prvi put je upakirao eksperimentalni način pojačanja interferometrijskih signala - bez odgovarajućeg povećanja stranog, neželjenog ulaza ili "šuma" - na integrirani fotonski čip od 1 mm x 1 mm. Proboj se temelji na teoriji pojačanja slabe vrijednosti s valovodima koju je razvio Andrew Jordan, profesor fizike u Rochesteru, i studenti u njegovom laboratoriju.
Jordan i njegova skupina proučavaju slabu vrijednost pojačanja više od desetljeća. Primijenili su analizu modova na nov način na interferometru slobodnog prostora s pojačanjem slabe vrijednosti, koji je premostio jaz između slobodnog prostora i valovodnog pojačanja slabe vrijednosti. Stoga su uspjeli dokazati teorijsku izvedivost integracije slabe vrijednosti pojačanja na fotonski čip.
"U osnovi, tehniku pojačanja slabe vrijednosti možete zamisliti kao da vam daje besplatno pojačanje. Nije baš besplatno jer žrtvujete snagu, ali je gotovo besplatno, jer možete pojačati signal bez dodavanja šuma - što je vrlo velika stvar", kaže Cardenas.
Pojačanje slabe vrijednosti temelji se na kvantnoj mehanici svjetlosti i u osnovi uključuje usmjeravanje samo određenih fotona koji sadrže potrebne informacije u detektor. Koncept je već demonstriran, "ali uvijek je s velikom postavom u laboratoriju sa stolom, hrpom ogledala i laserskih sustava, sve vrlo mukotrpno i pažljivo usklađeno", kaže Cardenas.
"Meiting je sve ovo destilirao i stavio u fotonski čip", kaže Cardenas. "A ako imate interferometar na čipu, možete ga staviti na raketu ili helikopter, u svoj telefon - gdje god želite - i nikada neće biti pogrešno usklađen."
Uređaj koji je stvorio Song ne izgleda kao tradicionalni interferometar. Umjesto korištenja skupa nagnutih zrcala za savijanje svjetlosti i stvaranje interferencijskog uzorka, Songov uređaj uključuje valovod dizajniran za propagiranje valne fronte optičkog polja kroz čip.
"Ovo je jedan od noviteta u radu", kaže Cardenas. "Nitko zapravo nije pričao o inženjeringu valnog fronta na fotonskom čipu."
S tradicionalnim interferometrima, omjer signala i šuma može se povećati, što rezultira značajnijim unosom, jednostavnim povećanjem snage lasera. Ali zapravo postoji ograničenje, kaže Cardenas, jer tradicionalni detektori koji se koriste s interferometrima mogu podnijeti samo toliko laserske snage prije nego što postanu zasićeni, u kojem trenutku se omjer signala i šuma ne može povećati.
Songov uređaj uklanja to ograničenje postizanjem istog signala interferometra s manje svjetla na detektorima, što ostavlja prostor za povećanje omjera signala i šuma nastavljajući dodavanje snage lasera.
Zaključak: "Ako ista količina snage dosegne detektor u Meitingovom uređaju slabe vrijednosti kao u tradicionalnom interferometru, Meitingov uređaj će uvijek imati bolji omjer signala i šuma", kaže Cardenas. "Ovaj rad je stvarno cool, stvarno suptilan, s puno jako lijepe fizike i inženjeringa koji se događa u pozadini."
Izvor: Nature Communications