スタンフォード大学のエンジニアと同僚は、複数のレーザーからの混ざった光を取り込み、きれいな光ビームを出力できるチップを設計した。
研究者が、混合または部分的にコヒーレントな光を取り込み、その光子を一連の明確な別々のビームに分類できるデバイスを実証したのはこれが初めてである。 Nature Photonicsに10月30日に掲載されたこの発見は、長年理論化されてきた物理学を根拠づけるとともに、顕微鏡、天文学、その他の分野での潜在的な用途を備えた、私たちの周囲の世界を観察するユニークな方法を解き明かします。
「私たちは、もともと1980年代に考えられていたものを初めて実験的に実証しています」と、共同主著者で電気工学博士課程の学生であるアニー・クルー氏は語った。 「この研究は、まったく新しい方法で物事を考えることを可能にするため、さまざまなアプリケーション全体に大きな影響を与えます。」
踊る光子
電球はインコヒーレントな光源であり、レーザーはコヒーレントな光源であるとクルー氏は説明した。メッシュを通してレーザーを照射すると、反対側の表面に光が斑点状のパターンを形成します。同じメッシュに電球をかざすと、より柔らかく、より拡散したグリッドが現れます。クルー氏によると、レーザー内の光子はすべて一緒に振動しており、ある部分では光が加算され、他の部分では光が打ち消し合うため、壁によりシャープな形状が生じるという。対照的に、電球の光子は同期せずに飛び交い、あいまいなパターンが生じます。
研究者たちは、電球型の光に含まれるさまざまなリズムを解きほぐして、新しいタイプのコミュニケーション、コンピューティング、センシングを可能にしたいと考えています。 「部分的にコヒーレントである光の本質を利用し、それをさまざまな用途に利用するという光学分野に新たなチャンスがあると考えています」と、共著者でオーストリア科学技術研究所の助教授で元スタンフォード科学フェローのチャールズ・ロケス・カルメス氏は述べた。 「これを行うには、相互にインコヒーレントな、または統計的に相関のない光のバケツに分解する必要があります。」
この可能性をテストするために、研究チームは爪ほどの大きさのフォトニックチップを使用しました。フォトニックチップは、ラップトップや携帯電話のマイクロチップが電子を使用するのと同じように、データ処理のために光子を送ります。これらの光ベースのチップは近年小型化、高性能化が進んでいますが、内部の粒子を制御することは依然として課題です。 「チップ上に電子機器を搭載することでより優れた電子機器を作成できるのと同じように、チップ上に搭載することでより優れた光学機器を作成できます」と、共著者であるスタンフォード大学工学部オードリー S. ハンコック教授のオラフ・ソルガード氏は述べています。
私たちは、部分的にコヒーレントである光の本質を利用し、それをさまざまな用途に使用するという光学分野に新たなチャンスがあると考えています。
シャルル・ロック＝カルムオーストリア科学技術大学助教授
光の組み合わせとマッチング
研究者らは実験で、2つの赤外線レーザーをチップに向けて光源を混合した。結合された光は部分的にコヒーレントであり、これは、光子の振動が短期間は揃ったが、最終的にはずれてしまったことを意味する。内部では、チップのアルゴリズムとアーキテクチャが光源に基づいて光を自動的に分類しました。
次に、チップは分離された光ビームを生成しました。研究者らは、これらのビームを混合する装置を通してこれらのビームを照射し、強度が加算されるかどうかを確認しましたが、2つのビームは同期せず、これらが独立した、相互に完全にインコヒーレントな光ビームであることが実証されました。勇気づけられて、チームは 3 つ目のレーザーを入力に追加しました。それでも、チップは混合物を純粋なビームに分類することができました。 「出力を見ると、それらは完全に同期していません。もはや相関関係はまったくありません」と共同筆頭著者であり、オーストリア科学技術研究所の学術訪問者であり、フランスのコープス・デ・マインの工学部学生であるポール・アレクシス・モル氏は述べた。
共著者であるスタンフォード大学WMケック電気工学名誉教授デイビッド・ミラー氏によると、チップ内のアルゴリズムが部分コヒーレント光内の固有のシグネチャを特定し、コヒーレント成分を分類できるようになったという。
「私たちのチップは、未知のライトフィールドの基礎となるコヒーレンスモードを学習し、それらを物理的に別々の出力に導きます」と、共著者であるスタンフォード大学のジョセフ＆ホンマイ・グッドマン教授シャンホイ・ファン氏は述べた。 「これにより、分離された光をさらなる処理に利用できるようにしながら、光の空間コヒーレンスを分析する方法が得られます。」
全体像を見る
混合された光をそのコヒーレントな成分に分離することで、研究者は最も洗練されたカメラと比較して光からより多くの情報を抽出できる可能性があります。カメラの 2 次元画像にレンダリングされると、重なり合う光源がひとかたまりになる傾向があります。
「カメラでは深度情報は捨てられます」とミラー氏は言う。 「この光の分離を行うことで、私たちは光について知り得るすべてのことを知ることができます。そこにあるあらゆる深さの情報を得ることができます。」
たとえば、顕微鏡下で 2 つの蛍光粒子が重なっている場合、従来のイメージングではそれらが 1 つとして見えることがあります。しかし、このフォトニックチップベースの方法は、原理的には、異なる光源からの光を区別することができます。 「空間的に重なり合っているとしても、光に含まれる情報は、異なる光源があることを示しています」とクルー氏は言う。
ミラー氏、ソルガード氏、クルー氏は現在、NASAと協力して、新しい技術が遠方の銀河からの光を探査できるかどうかを確認している。たとえば、望遠鏡では単一の塊として見える光には、実際には、別個の星や系外惑星から放出された異なる光束が含まれている可能性があります。
「私たちの世界の情報の多くは光の形です」とクルー氏は言う。 「光は環境にあるものを測定するための美しい媒体です。」
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