罗彻斯特大学的研究人员在具有相同检测光功率的标准 Mach-Zehnder 干涉仪上展示了弱值设备中 7 dB 的信号增强，以及通过添加环形谐振器以 2 kHz 灵敏度进行频率测量。相关研究发表在《Nature Communications》。
图1，由光学助理教授 Jaime Cardenas 和博士生 Meiting Song（主要作者）开发的 1 mm × 1 mm集成光子芯片将使干涉仪，以及精密光学变得更加强大。潜在的应用包括更灵敏的设备，用于测量镜子上的微小缺陷或污染物在大气中的扩散，以及最终的量子应用
通过合并两个或多个光源，干涉仪产生干涉图样，可以提供关于它们所照亮的一切的非常详细的信息，从镜子上的微小瑕疵，到大气中污染物的扩散，再到宇宙深处的引力图。
“如果你想以非常高的精度测量某物，光学干涉仪是最佳选择，因为光是一把非常精确的尺子，”罗切斯特大学光学助理教授 Jaime Cardenas 说。光学干涉测量在精密计量学中发挥着重要作用，例如引力波检测、陀螺仪和环境传感。 通过在不放大某些技术噪声的情况下放大干涉信号，弱值放大能够达到灵敏度的散粒噪声极限，这对于大多数光学传感器来说是困难的。
现在，Cardenas实验室创造了一种方法，在带有多模干涉仪的集成光子平台上实现了一种广义形式的弱值放大，使这些光学主力更加有用和灵敏。Meiting Song，博士学生，首次在 1 mm × 1 mm集成光子芯片上封装了一种放大干涉信号的实验方法，而不会相应增加无关的、不需要的输入或“噪声”。 《Nature Communications》中描述的这一突破是基于由罗切斯特大学物理学教授 Andrew Jordan 及其实验室的学生开发的波导弱值放大理论。
十多年来，乔丹和他的团队一直在研究弱值放大。他们以一种新颖的方式在具有弱值放大的自由空间干涉仪上应用了模式分析，弥合了自由空间和波导弱值放大之间的差距。因此，他们能够证明在光子芯片上集成弱值放大的理论可行性。
“基本上，你可以将弱值放大技术视为免费为您提供放大。它也不是完全免费，因为牺牲了功率，但它几乎是免费的，因为可以在不增加噪声的情况下放大信号，这是一个非常重要的问题，” Cardenas说。
图2，传统的干涉测量法（左）需要精心设置镜子和激光系统，所有这些都非常辛苦和仔细地对准，” Cardenas说。 Song将所有这些提炼出来，并将其放入光子芯片中。该芯片只需要一个显微镜（右）
“Meiting 提炼了所有这些并将其放入光子芯片中，”Cardenas 说。 “通过在芯片上安装干涉仪，你可以将其安装在火箭或直升机上，放在手机中任何你想放的地方，而且干涉仪永远不会错位。”
Song创造的设备看起来不像传统的干涉仪，该设备没有使用一组倾斜的镜子来弯曲光并产生干涉图案，而是包括一个设计用于通过芯片传播光场波前的波导。Cardenas说，“这是该论文的新颖之处之一，没有人真正谈论过光子芯片上的波前工程。”
使用传统的干涉仪，可以通过简单地提高激光功率来增加信噪比，从而产生更有意义的输入。但实际上有一个限制，Cardenas 说，因为与干涉仪一起使用的传统探测器在饱和之前只能处理这么多的激光功率，在这一点上无法增加信噪比。
图3，Jaime Cardenas（左）和 Meiting Song 在罗切斯特光学研究所的 Cardenas 实验室
宋的设备通过在检测器处以较少的光达到相同的干涉仪信号来消除该限制，这为通过继续增加激光功率来增加信噪比留出了空间。
“如果与传统干涉仪相同的功率到达Meiting的弱值设备中的探测器，Meiting的设备将始终具有更好的信噪比，” Cardenas说。 “这项工作真的很酷，真的很微妙，背后有很多非常好的物理和工程。”
下一步将包括使用压缩或纠缠光子使设备适应相干通信和量子应用，以启用诸如量子陀螺仪之类的设备。
