Une puce photonique intégrée de 2 mm sur 2 mm mise au point par Jaime Cardenas, professeur adjoint d’optique, et Meiting Song, étudiant en doctorat (auteur principal), rendra les interféromètres – et donc l’optique de précision – encore plus puissants. Parmi les applications potentielles, citons des dispositifs plus sensibles permettant de mesurer de minuscules défauts sur des miroirs, ou la dispersion de polluants dans l’atmosphère, et enfin, des applications quantiques. Crédit : J. Adam Fenster/Université de Rochester
Des chercheurs de l’Institut d’optique de l’Université de Rochester transforment pour la première fois une nouvelle interférométrie en un dispositif photonique.
Pour la première fois, des chercheurs de l’Université de Rochester ont mis au point un moyen d’amplifier les signaux interférométriques en utilisant l’amplification inverse de la valeur faible – sans augmentation de l’entrée étrangère ou “bruit” – sur une puce photonique intégrée.
En fusionnant deux ou plusieurs sources de lumière, interféromètres créent des motifs d’interférence qui peuvent fournir des informations remarquablement détaillées sur tout ce qu’ils éclairent, qu’il s’agisse d’un minuscule défaut sur un miroir, de la dispersion de polluants dans l’atmosphère ou de motifs gravitationnels aux confins de l’Univers.
“Si l’on veut mesurer quelque chose avec une très grande précision, on utilise presque toujours un interféromètre optique, car la lumière est une règle très précise”, explique Jaime Cardenas, professeur adjoint d’optique à l’université de Rochester.
Aujourd’hui, le laboratoire Cardenas a trouvé un moyen de rendre ces instruments optiques encore plus utiles et sensibles. Meiting Song, un étudiant en doctorat, a pour la première fois mis au point une méthode expérimentale d’amplification des signaux interférométriques – sans augmentation correspondante des entrées étrangères et indésirables, ou “bruit” – sur une puce photonique intégrée de 2 mm sur 2 mm. Cette percée, décrite dans Nature Communicationsest basée sur une théorie de l’amplification de faible valeur avec des guides d’ondes, développée par Andrew Jordan, professeur de physique à Rochester, et les étudiants de son laboratoire.
Jaime Cardenas (à gauche) et Meiting Song dans le laboratoire Cardenas de l’Institut d’optique de Rochester. Crédit : Université de Rochester / J. Adam Fenster
Jordan et son groupe étudient l’amplification des valeurs faibles depuis plus de dix ans. Ils ont appliqué l’analyse de mode d’une manière novatrice sur un interféromètre en espace libre avec une amplification de valeur faible, ce qui a permis de combler le fossé entre l’amplification de valeur faible en espace libre et en guide d’ondes. Par conséquent, ils ont pu prouver la faisabilité théorique de l’intégration de l’amplification à faible valeur sur une puce photonique.
“Fondamentalement, vous pouvez considérer la technique d’amplification de valeur faible comme vous donnant une amplification gratuite. Ce n’est pas tout à fait gratuit puisque vous sacrifiez de la puissance, mais c’est presque gratuit, car vous pouvez amplifier le signal sans ajouter de bruit, ce qui est très important”, explique M. Cardenas.
L’amplification de la valeur faible est basée sur la mécanique quantique de la lumière, et consiste essentiellement à diriger vers un détecteur uniquement certains photons qui contiennent l’information nécessaire. Le concept a déjà été démontré auparavant, “mais toujours avec une grande installation dans un laboratoire, avec une table, un tas de miroirs et de systèmes laser, tous très minutieusement et soigneusement alignés”, explique M. Cardenas.
“Meiting a distillé tout cela et l’a mis dans une puce photonique”, dit Cardenas. “Et en ayant l’interféromètre sur une puce, vous pouvez le mettre sur une fusée, ou un hélicoptère, dans votre téléphone – où vous voulez – et il ne sera jamais mal aligné”.
L’interférométrie traditionnelle (à gauche) nécessite un ensemble élaboré de miroirs et de systèmes laser, tous très minutieusement et soigneusement alignés”, explique M. Cardenas. Song a “distillé tout cela et l’a mis dans une puce photonique”. La puce (à droite) ne nécessite qu’un seul microscope. Crédit : Université de Rochester / J. Adam Fenster
Le dispositif créé par Song ne ressemble pas à un interféromètre traditionnel. Au lieu d’utiliser un ensemble de miroirs inclinés pour courber la lumière et créer un motif d’interférence, le dispositif de Song comprend un guide d’ondes conçu pour propager le front d’onde d’un champ optique à travers la puce.
“C’est l’une des nouveautés de l’article”, déclare Cardenas. “Personne n’a vraiment parlé de l’ingénierie du front d’onde sur une puce photonique”.
Avec les interféromètres traditionnels, le rapport signal/bruit peut être augmenté, ce qui permet d’obtenir des données plus significatives, en augmentant simplement la puissance du laser. Mais il y a en fait une limite, dit M. Cardenas, car les détecteurs traditionnels utilisés avec les interféromètres ne peuvent supporter qu’un certain niveau de puissance laser avant de devenir des détecteurs de front d’onde.saturé, à partir duquel le rapport signal/bruit ne peut plus être augmenté.
Le dispositif de Song supprime cette limitation en atteignant le même signal interférométrique avec moins de lumière au niveau des détecteurs, ce qui permet d’augmenter le rapport signal/bruit en continuant à ajouter de la puissance laser.
Conclusion : “Si la même quantité de puissance atteint le détecteur dans le dispositif à faible valeur de Meiting que dans un interféromètre traditionnel, le dispositif de Meiting aura toujours un meilleur rapport signal/bruit”, déclare Cardenas. “Ce travail est vraiment cool, vraiment subtil, avec beaucoup de physique et d’ingénierie très intéressantes en arrière-plan.”
Les prochaines étapes consisteront à adapter le dispositif à des communications cohérentes et à des applications quantiques utilisant des photons comprimés ou enchevêtrés pour permettre des dispositifs tels que les suivants des gyroscopes quantiques.
Référence : “Enhanced on-chip phase measurement by inverse weak value amplification” par Meiting Song, John Steinmetz, Yi Zhang, Juniyali Nauriyal, Kevin Lyons, Andrew N. Jordan et Jaime Cardenas, 29 octobre 2021, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-021-26522-2
Les autres collaborateurs sont Yi Zhang et Juniyali Nauriyal du laboratoire Cardenas, John Steinmetz du département de physique et d’astronomie, et Kevin Lyons de Hoplite AI.
Le projet a été financé par A. N. Jordan Scientific, en partenariat avec Leonardo DRS, et en partie par la Fondation pour l’innovation. Centre pour les sciences émergentes et innovantes (CEIS). La fabrication a été réalisée au Cornell NanoScale Facility, avec le soutien de la National Science Foundation.
