Cip fotonic de dimensiunea unei unghii separă lumina amestecată în fascicule curate
Ingineri de la Universitatea Stanford și colaboratorii lor au proiectat un cip capabil să preia un amestec confuz de lumină de la mai multe lasere și să emită fascicule curate. Este prima demonstrație a unui dispozitiv care poate primi lumină parțial coerentă și poate sorta fotonii în fascicule separate distincte. Rezultatele au fost publicate în Nature Photonics.
„Demonstrăm experimental, pentru prima dată, lucruri concepute teoretic încă din anii 1980”, a declarat Annie Kroo, autoare principală și doctorandă în inginerie electrică. Ea afirmă că cercetarea are implicații majore pentru numeroase aplicații, pentru că permite o abordare complet nouă.
Fotoni în ritmuri diferite
Kroo explică diferența dintre un bec și un laser: becul este o sursă incoerentă, iar laserul una coerentă. Direcționat printr-o plasă, laserul produce pe suprafața din spate un model punctat, în timp ce becul generează o rețea mai difuză. Fotonii laserului oscilează împreună, ceea ce duce la forme mai clare, pentru că în unele zone lumina se adună, iar în altele se anulează. Fotonii becului oscilează desincronizat, rezultând un model neclar.
Cercetătorii vor să descurce ritmurile diferite conținute în lumina de tip bec pentru a permite noi forme de comunicații, calcul și detectare. „Vedem o nouă oportunitate în optică: să exploatăm adevărata natură a luminii, care este parțial coerentă, și să o folosim în diverse aplicații”, a spus coautorul Charles Roques-Carmes, profesor asistent la Institute of Science and Technology Austria și fost Stanford Science Fellow. Pentru aceasta, lumina trebuie descompusă în grupe de lumină reciproc incoerente, adică necorelate statistic.
Experimentul cu lasere infraroșii
Echipa a folosit un cip fotonic de dimensiunea unei unghii, care dirijează fotonii pentru prelucrarea datelor la fel cum microcipurile din laptopuri și telefoane folosesc electroni. Coautorul Olav Solgaard, profesor de inginerie la Stanford, compară abordarea: „Poți face optică mai bună punându-o pe un cip, la fel cum poți face electronică mai bună punându-o pe un cip.”
În experiment, cercetătorii au direcționat doi lasere infraroșii în cip, amestecând sursele. Lumina combinată era parțial coerentă, adică oscilațiile fotonilor se aliniau pentru scurt timp, dar în final se desincronizau. Algoritmii și arhitectura cipului au sortat automat lumina după sursă, iar cipul a produs fascicule separate. Cercetătorii au dirijat apoi aceste fascicule printr-un dispozitiv care le amesteca pentru a vedea dacă intensitățile se adună, dar cele două fascicule nu s-au sincronizat, demonstrând că erau independente și reciproc complet incoerente.
Echipa a adăugat apoi un al treilea laser la intrare, iar cipul a reușit să sorteze amestecul în fascicule pure. „Dacă te uiți la ieșiri, sunt complet desincronizate; nu mai există absolut nicio corelație”, a spus coautorul Paul-Alexis Mor, vizitator academic la Institute of Science and Technology Austria și student în inginerie la Corps des Mines, Franța.
Algoritmii din cip au determinat semnăturile unice din lumina parțial coerentă, permițând sortarea componentelor coerente, a explicat coautorul David Miller, profesor emerit de inginerie electrică la Stanford. „Cipul nostru învață modurile de coerență subiacente ale unui câmp luminos necunoscut și le direcționează fizic către ieșiri separate”, a spus coautorul Shanhui Fan, profesor la Stanford. „Asta ne oferă o modalitate de a analiza coerența spațială a luminii păstrând lumina separată disponibilă pentru prelucrări ulterioare.”
Aplicații de la microscopie la astronomie
Separarea luminii amestecate în ingredientele sale coerente ar putea permite extragerea mai multor informații decât cu cele mai sofisticate camere. Într-o imagine bidimensională, sursele de lumină suprapuse tind să fie contopite. „Într-o cameră, aruncăm informația de adâncime”, a spus Miller. „Prin această separare a luminii, știm tot ce se poate ști despre ea.”
La microscop, două particule fluorescente suprapuse pot părea una singură în imagistica tradițională, dar metoda bazată pe cipul fotonic ar putea, în principiu, să distingă lumina provenită de la surse diferite. „Chiar dacă se suprapun spațial, informația din lumină indică faptul că există surse diferite de lumină”, a spus Kroo.
Miller, Solgaard și Kroo colaborează acum cu NASA pentru a verifica dacă tehnologia poate analiza lumina din galaxii îndepărtate. O sursă care apare ca o singură pată într-un telescop ar putea conține, de fapt, fire distincte emise de stele și exoplanete separate. „O mare parte din informația din lumea noastră este sub formă de lumină”, a spus Kroo. „Lumina este un mediu frumos pentru a măsura lucrurile din mediu.”
