“干涉仪”1毫米集成光子芯片研发成功 使量子陀螺仪等设备成为可能

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具有固定相位差的两列准单色波的叠加将导致振幅发生变化，由于幅度变化依赖于相位差的余弦函数，这种幅度的变化有时候在空间表现为周期性的条纹，这种条纹有时候叫做干涉条纹。通过测量较容易测量的振幅即可获取波的相位信息，从而获得实验所关心的物理量。这就是干涉仪的基本原理。

干涉仪是很广泛的一类实验技术的总称，它不仅可以用来测量长度、折射率和波长等信息，也可以用来检验光学元件、测量引力波等，还可以用作高分辨率光谱仪。干涉仪在天文学，光学，工程测量，海洋学，地震学，波谱分析，量子物理实验，遥感，雷达等等精密测量领域都有广泛应用。

但是，传统的干涉测量法想要准确得出数值，不仅需要精心设置镜子和激光系统使之对其，还要在使用过程中避免振动。这是经典干涉仪不可避免的缺点。

近日，《自然—通讯》发表的一篇论文，对干涉仪的这一缺点进行了改进提升。

罗切斯特大学光学助理教授Jaime Cardenas和博士生、第一作者宋美廷在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基础上，共同开发的1毫米乘1毫米的集成光子芯片，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。

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。宋美廷将传统的干涉测量法所需要精心设置镜子和激光系统集成在小小的光子芯片中，以更少的光达到相同的干涉仪信号，消除了传统干涉仪的限制，用多模干涉仪在集成光子平台上实现了一种广义形式的弱值放大，并提高了它们的稳定性和信噪比。这为继续增加激光功率增加信噪比留下了空间。

Jaime Cardenas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：

Enhanced on-chip phase measurement by inverse weak value amplification

Meiting Song, John Steinmetz, Yi Zhang, Juniyali Nauriyal, Kevin Lyons, Andrew N. Jordan & Jaime Cardenas

Nature Communications volume 12, Article number: 6247 (2021)

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