波导|新方法让微型光子芯片变得更实用和灵敏

罗彻斯特大学光学研究所的一支团队，刚刚在光子器件上运用了新颖的干涉技术。
通过在集成光子芯片上封装一种使用逆弱值放大干涉信号的方法，其能够避免增加外来输入的“噪声”。更确切地说，这项技术开创性地合并了两个及以上的光源。那样干涉仪产生的图案，可提供有关其照亮的一切的详细信息。

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（图自：J. Adam Fenster / University of Rochester）
上图展示的，就是由该校光学助力教授 Jaime Cardenas 和博士生 Meiting Song（研究一作）开发的 2×2 m㎡集成光子芯片。
从镜子上的微小缺陷、到大气中污染物的扩散，乃至宇宙远处的引力图案，逆弱值放大（inverse weak value amplification）技术都可派上相当大的用场。
通过打造更灵敏的设备，其ZUI终有望在量子领域得到应用。Jaime Cardenas表示：
“如果你想要以极高精度测量某些东西，那光学干涉仪几乎是绕不开的，毕竟光本身就是一把极其精确的尺子”。

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Jaime Cardenas（左一）与 Meiting Song（右一）
现在，他们已经在卡德纳斯实验室创造了一种方法，能够使这类重要的光学工具变得更加实用和灵敏。
由发表于《自然·通讯》期刊上的文章可知，这项技术突破基于波导的弱值放大理论。该理论由罗彻斯特大学物理学教授 Andrew Jordan 和他实验室里的学生团队提出。
结合十多年的研究经验，他们 ZUI终以一种新颖的方式，将模式分析应用于具有弱值放大功能的自由空间干涉仪，从而弥合了自由空间和波导弱值放大之间的差距。
如此一来，他们得以顺利地证明在光子芯片上集成弱值放大功能的理论可行性。

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传统干涉仪（上图左）和只需一台显微镜的新式芯片（上图右）
【波导|新方法让微型光子芯片变得更实用和灵敏】Cardenas 解释称：除了功率，弱值放大技术可几乎可视作没有代价。因为你能够在不增加噪声的情况下放大信号，这本身就是个非常重要的问题。
背后的量子力学，基本上只涉及将包含所需信息的某些光子引导至检测器。这个概念此前已被证明，但传统装置的构建和对齐工作相当费时费力。
好消息是，新研究将所有这些都凝练到了一处，并将之整合到光子芯片中。通过将干涉仪部署于芯片之上，你可随心所欲地将它拿到手机里或飞机火箭上，而无需担心产生错位。
如上图所示，Meiting Song 打造的设备，与传统干涉仪看起来完全是两码事。新方案无需一组带角度的镜子来弯曲光线并产生干涉图案，而是巧妙地利用波导方案。

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研究配图 - 1：自由空间弱值放大器件示意图
此前从未有人真正讨论过光子芯片的波前工程，而这正是《通过逆弱值放大增强片上相位测量》这项研究的新颖之处。
使用传统干涉仪的时候，人们普遍只需提升激光功率来增大信噪比，从而产生更有意义的输入。但实际上，该传统方法仍存在一个限制。
因为与干涉仪搭配使用的传统探测器，在饱和之前也只能应付一定阈值内的激光功率，之后的信噪比提升就很困难了。

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研究配图 - 2：单个组件示意