NIST的原型光子芯片可以为未来的光谱传感器提供基础，可以集成在紧凑的计量设备中，同时提供量子精度。 这种微型器件目前还需要外部激光源，它可以探测原子以产生精确波长的红外光。 NIST芯片封装了一小束原子云和相关结构，用于将光波导入小于一平方厘米的区域。 图片中芯片顶部的正方形窗口是原子被包含在蒸气室中的位置，并且被含有光纤阵列的黑色环氧树脂包围。 硬币作为比例尺参考。 照片来自：Matthew Hummon / NIST。

由来自美国国家标准与技术研究院（NIST）的一个研究小组所开发的原型光子芯片，有可能为未来的新一代极紧凑量子传感器提供应用基础。

研究人员在“NIST-on-a-chip”（“片上NIST”）计划下工作时表示，他们已经创造出了一种芯片，在此基础上从而使得近红外激光与微小的原子云发生相互作用，这是测量比如具有量子精度的长度等数量的基础。

他们还认为，目前设计中所存在的弱点可以通过一些细微的调整来克服，而且基于他们的方法的微型精密光谱仪，可以利用现有的半导体晶圆制造技术实现大规模生产。

在最新一期的学术期刊Optica上描述这项工作时，Matt Hummon及其同事报告说，NIST的原型设备所产生的780 nm波长的光具有足够的精度，通过与铷原子的相互作用可作为校准其他仪器的长度参考量。

“该设备利用了光子集成以及精密光谱技术的优势，以实现基于原子蒸气的下一代量子传感器与器件，”该小组在他们的论文中写道。

尽管当前原型设备的稳定性还受到在芯片波导中，由于背向反射所引起的标准具的热漂移作用的限制，但这可以通过使用更大的探测光束或更窄的光转换来克服。

“因此，我们预计未来的光子芯片设计将减少由波导中的背向反射所产生的标准具，这将直接导致频率稳定性的提高。微加工蒸气室和光子芯片的晶片级大规模制造可能会导致基于温蒸气的精确光谱学的器件成本的下降。”该小组总结说。

虽然基于原子蒸气的量子传感器通常需要具有冰箱尺寸的设备，但最近来自英国的进展表明，有可能将该体积缩小一个数量级，从而适合于将其整合在微型人造卫星“CubeSat”的设计之中。

NIST的原型设备比这还要更进一步，它通过封装的原子云和有关结构，将光引导到一块小于一平方厘米的区域内：这比目前能提供相似测量精度的宏观尺寸传感器惊人地小了4个数量级。

据报道，该原型芯片仅长14毫米、宽9毫米，其氮化硅波导能够处理各种频率的光。

“与使用芯片引导光波探测原子的其他器件相比，我们的芯片将测量精度提高了一百倍，”Hummon补充说。 “我们的芯片目前依赖于一个小型外部激光器和光学平台，但在未来的设计中，我们希望将所有内容都放在芯片里。”

这种设备的应用场景可能包括测量时间、长度和磁场强度等数量，并有可能在导航、通信以及医疗设备中得到部署应用。

对于这种微小结构来说，其关键在于新型的波导和光栅，它们可以扩大光束直径，将大约1亿个原子激发到更高的能级。

在目前的设计中，NIST团队使用的是铷原子，但原则上这种方法可以处理各种原子和分子蒸汽，从而在可见光和近红外光谱上产生出特定的频率。

也许最重要的是，该芯片与目前的高精度传感器不同，因为前者可以通过类似于半导体晶片的方式实现批量生产。 NIST集团负责人John Kitching表示，传统的系统却需要手动装配笨重的光学元件和吹制玻璃蒸气室。

NIST的论文指出了频率计量，其精度为在100秒内有100亿分之一的误差——通过与单独的NIST频率梳进行比较，而验证了该性能。

Kitching说：“尽管全尺寸的实验室仪器会更加精确，但这种性能水平对于如此小的对象来说也是非常有用的。

“NIST-on-a-chip”计划旨在将新的计量技术从专业实验室的保存中转移出去，并进一步转移至商业市场，从而可由私营部门批量制造并交由用户直接部署。

“为此，我们正在开发一套内在准确的、基于量子的测量技术，旨在实现几乎随时随地地进行部署，不需要NIST的传统测量服务就可以不间断的运行，”NIST表示。

“它们将使得用户能够实现在工厂车间、医院诊断中心、商用和军用飞机、研究实验室以及最终在家庭、汽车和个人电子设备中等等，进行具有国际单位制（SI）参考的精确测量。

已经规划划了跨越了12个不同技术领域的项目，光子技术是其中许多领域的关键要素。 这些新颖的想法当中包括了“光子温度计”，它可以通过感知物体尺寸和热量曲线的变化来测量温度，以代替传统的汞仪器。

来源： http://optics.org/news/9/4/16

本文受译者委托，享有该文的专有出版权，其他出版单位或网站如需转载，请与本站联系，联系email：mail@opticsjournal.net。否则，本站将保留进一步采取法律手段的权利。