Cardenas Chip 777x437 1
Thông tin công nghệ

Chip quang tử nhỏ cung cấp một sự thúc đẩy lớn về quang học chính xác

Một chip quang tử tích hợp 2 mm x 2 mm được phát triển bởi Jaime Cardenas, trợ lý giáo sư quang học và nghiên cứu sinh Meiting Song (tác giả chính) sẽ tạo ra giao thoa kế — và do đó quang học chính xác — thậm chí còn mạnh hơn. Các ứng dụng tiềm năng bao gồm các thiết bị nhạy cảm hơn để đo các lỗ nhỏ trên gương, hoặc sự phân tán của các chất ô nhiễm trong khí quyển và cuối cùng là các ứng dụng lượng tử. Nhà cung cấp hình ảnh: J. Adam Fenster / Đại học Rochester

Các nhà nghiên cứu tại Viện Quang học của Đại học Rochester lần đầu tiên chưng cất phép đo giao thoa mới thành một thiết bị quang tử.

Các nhà nghiên cứu của Đại học Rochester lần đầu tiên đóng gói một cách khuếch đại tín hiệu giao thoa kế bằng cách sử dụng khuếch đại giá trị yếu nghịch đảo — mà không làm tăng đầu vào không liên quan hoặc “nhiễu” —trên một chip quang tử tích hợp.

Bằng cách kết hợp hai hoặc nhiều nguồn ánh sáng, giao thoa kế tạo ra các mẫu giao thoa có thể cung cấp thông tin chi tiết đáng kể về mọi thứ chúng chiếu sáng, từ một lỗ hổng nhỏ trên gương, đến sự phân tán của các chất ô nhiễm trong khí quyển, đến các mẫu hấp dẫn trong phạm vi xa của Vũ trụ. .

Jaime Cardenas, trợ lý giáo sư quang học tại Đại học Rochester, cho biết: “Nếu bạn muốn đo thứ gì đó với độ chính xác rất cao, bạn hầu như luôn sử dụng giao thoa kế quang học, bởi vì ánh sáng tạo nên một chiếc thước rất chính xác.

Giờ đây, Phòng thí nghiệm Cardenas đã tạo ra một cách để làm cho những con ngựa quang học này trở nên hữu ích và nhạy hơn. Meiting Song, một nghiên cứu sinh, lần đầu tiên đã đóng gói một cách thử nghiệm để khuếch đại tín hiệu giao thoa kế — mà không làm tăng tương ứng đầu vào không liên quan, không mong muốn hoặc “nhiễu” —trên một chip quang tử tích hợp 2 mm x 2 mm. Bước đột phá, được mô tả trên tạp chí Nature Communications , dựa trên lý thuyết về sự khuếch đại giá trị yếu với ống dẫn sóng được phát triển bởi Andrew Jordan, giáo sư vật lý tại Rochester, và các sinh viên trong phòng thí nghiệm của ông.

Jaime Cardenas (trái) và Meiting Song trong Phòng thí nghiệm Cardenas tại Viện Quang học Rochester. Nhà cung cấp hình ảnh: Đại học Rochester / J. Adam Fenster

Jordan và nhóm của ông đã nghiên cứu sự khuếch đại giá trị yếu trong hơn một thập kỷ. Họ đã áp dụng phân tích chế độ theo một cách mới trên giao thoa kế không gian tự do có khuếch đại giá trị yếu, thu hẹp khoảng cách giữa không gian tự do và khuếch đại giá trị yếu của ống dẫn sóng. Do đó, họ đã có thể chứng minh tính khả thi về mặt lý thuyết của việc tích hợp khuếch đại giá trị yếu trên một chip quang tử.

“Về cơ bản, bạn có thể coi kỹ thuật khuếch đại giá trị yếu là cung cấp cho bạn bộ khuếch đại miễn phí. Nó không hoàn toàn miễn phí vì bạn hy sinh sức mạnh, nhưng nó gần như miễn phí, vì bạn có thể khuếch đại tín hiệu mà không gây thêm tiếng ồn – đó là một vấn đề rất lớn, ”Cardenas nói.

Khuếch đại giá trị yếu dựa trên cơ học lượng tử của ánh sáng và về cơ bản chỉ liên quan đến việc hướng một số photon nhất định chứa thông tin cần thiết tới một máy dò. Khái niệm này đã được chứng minh trước đây, “nhưng nó luôn được bố trí trong một phòng thí nghiệm với một cái bàn, một loạt các tấm gương và hệ thống laze, tất cả đều được căn chỉnh rất tỉ mỉ và cẩn thận,” Cardenas nói.

Cardenas nói: “Meiting đã chắt lọc tất cả những thứ này và đưa nó vào một con chip quang tử. “Và bằng cách đặt giao thoa kế trên một con chip, bạn có thể đặt nó trên tên lửa hoặc trực thăng, trong điện thoại của mình — bất cứ nơi nào bạn muốn — và nó sẽ không bao giờ bị lệch.”

Phép đo giao thoa truyền thống (trái) đòi hỏi sự thiết lập phức tạp của các gương và hệ thống laze, tất cả đều được căn chỉnh rất tỉ mỉ và cẩn thận, ”Cardenas nói. Song đã “chắt lọc tất cả những thứ này và đưa nó vào một con chip quang tử”. Con chip (bên phải) chỉ yêu cầu một kính hiển vi duy nhất. Nhà cung cấp hình ảnh: Đại học Rochester / J. Adam Fenster

Thiết bị mà Song tạo ra trông không giống một giao thoa kế truyền thống. Thay vì sử dụng một bộ gương nghiêng để bẻ cong ánh sáng và tạo ra hình ảnh giao thoa, thiết bị của Song bao gồm một ống dẫn sóng được thiết kế để truyền mặt sóng của trường quang học qua chip.

“Đây là một trong những điểm mới của bài báo,” Cardenas nói. “Chưa ai thực sự nói về kỹ thuật mặt sóng trên chip quang tử”.

Với giao thoa kế truyền thống, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu có thể được tăng lên, dẫn đến đầu vào có ý nghĩa hơn, chỉ bằng cách tăng công suất laser. Nhưng thực sự có một hạn chế, Cardenas nói, bởi vì các máy dò truyền thống được sử dụng với giao thoa kế chỉ có thể xử lý rất nhiều công suất laser trước khi trở nên bão hòa, tại thời điểm đó, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu không thể tăng lên.

Thiết bị của Song loại bỏ hạn chế đó bằng cách đạt đến cùng một tín hiệu giao thoa kế với ít ánh sáng hơn ở các đầu dò, điều này còn lại khoảng trống để tăng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu bằng cách tiếp tục bổ sung công suất laser.

Điểm mấu chốt: “Nếu cùng một lượng công suất đến bộ dò trong thiết bị giá trị yếu của Meiting như trong giao thoa kế truyền thống, thiết bị của Meiting sẽ luôn có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt hơn,” Cardenas nói. “Công việc này thực sự tuyệt vời, thực sự tinh tế, với rất nhiều vật lý và kỹ thuật rất hay đang diễn ra trong nền.”

Các bước tiếp theo sẽ bao gồm việc điều chỉnh thiết bị để liên lạc nhất quán và các ứng dụng lượng tử bằng cách sử dụng các photon bị ép chặt hoặc vướng víu để kích hoạt các thiết bị như con quay hồi chuyển lượng tử .

Tham khảo: “Đo pha trên chip nâng cao bằng cách khuếch đại giá trị yếu nghịch đảo” của Meiting Song, John Steinmetz, Yi Zhang, Juniyali Nauriyal, Kevin Lyons, Andrew N. Jordan và Jaime Cardenas, 29 tháng 10 năm 2021, Nature Communications .
DOI: 10.1038 / s41467-021-26522-2

Các cộng tác viên khác bao gồm Yi Zhang và Juniyali Nauriyal của phòng thí nghiệm Cardenas, John Steinmetz của Khoa Vật lý và Thiên văn học, và Kevin Lyons của Hoplite AI.

Dự án được tài trợ bởi AN Jordan Scientific, hợp tác với Leonardo DRS, và một phần bởi Trung tâm Khoa học Sáng tạo và Mới nổi (CEIS). Việc chế tạo được thực hiện tại Cơ sở Cornell NanoScale, với sự hỗ trợ của Quỹ Khoa học Quốc gia.

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.