スタンフォード大学のエンジニアが開発した初の混合レーザー光束を分離できる微型チップ

スタンフォード大学のエンジニアとその同僚は、指先ほどの大きさのチップを開発し、混合されたレーザー光束を独立した光束に分離できることを示した。この研究は10月30日に『Nature Photonics』に発表された。スタンフォード大学は、これは研究者がこの装置が部分的にコヒーレントな光、つまり光の波が短時間内に整列することができることを示した初めての例であると述べている。スタンフォード大学の電気工学博士課程の学生であるアニー・クロ（Annie Kroo）は、レーザー光束はコヒーレントであり、その光子は共同で振動するが、電球から発せられる光は非コヒーレントであり、光子は非同期であると指摘した。

共同著者であり、オーストリア科学技術研究所（ISTA）の助教授であるチャールズ・ロークス＝カーメス（Charles Roques-Carmes）は、光の実際の特性は部分的にコヒーレントであると述べた。彼は、研究者たちがこの混合光を独立した部分に分離することを望んでおり、これが新しい通信、計算、センサー技術の発展を促進する可能性があると述べた。

チップの基本概念と技術

クロは、この基本概念は1980年代に遡るが、実験でテストされたことはないと述べた。チームは二束の赤外線レーザーを光子チップに送信し、この装置は光をデータ処理に導くことができる。これはノートパソコンのチップが電子を導くのと似ている。スタンフォード大学によれば、結合された光束は部分的にコヒーレントであり、チップのアルゴリズムがそれを独立した出力に分離する。論文では、このプロセスを消失したストライプの可視性として測定している。別の異なる回路のテストでは、三束目のレーザーを追加しても成功した。共同著者であり、ISTAの学術訪問者であるポール＝アレクシス・モール（Paul-Alexis Mor）は、出力結果が「完全に無関係である」ことを示していると述べた。

スタンフォード大学の教授であるシャンフイ・ファン（Shanhui Fan）は、チップが未知の光場の独立した成分を学習することができ、これをコヒーレントモードと呼び、各モードをそれぞれの出力に送信することができると述べた。

チップの応用可能性

スタンフォード大学は、近年、光子チップがますます小型化し、機能が強化されているが、光の内部動作を制御することは依然として非常に困難であると述べた。スタンフォードによれば、カメラは光を二次元画像に圧縮するため、重なった光源はしばしば一緒にぼやけてしまう。顕微鏡で観察すると、二つの重なった蛍光粒子は一つのように見える可能性がある。クロは、このチップは原理的にそれらを区別できると指摘した。なぜなら光自体が異なる光源からの信号を運んでいるからである。なお、発表されたテストは赤外線レーザーを使用しており、星光や顕微鏡サンプルではなく、イメージング用途が潜在的な応用として考慮されている。

論文によれば、チップは外部制御電子のフィードバックループによって調整される。論文では、二束のレーザーからの二つの最強光成分を分離できる九入力チップが記述されている。著者の報告によると、交差干渉、つまり出力間の光線漏れの程度は、負13デシベルまで低下した。論文は、二束のレーザーの光束モードが空間的に直交している、すなわち数学的に独立している場合にのみ、チップが元のレーザーを復元できると指摘している。スタンフォード大学のクロ、大衛・ミラー（David Miller）、オラフ・ソルゴールド（Olav Solgaard）は現在、NASAと協力してこの技術が遠方の銀河からの光を検出できるかどうかをテストしている。

スタンフォード大学は、望遠鏡で一つの光点のように見える光が、星や系外惑星からの独立した光束を含んでいる可能性があると指摘している。

微型チップ技術の革新と応用の展望

この微型チップの開発は、光子技術における重要な突破口を示しており、混合されたレーザー光束を効果的に分離できることを実証した。これは過去に実験的に確認されたことはなかった。通信と計算の需要が増加する中で、この技術の潜在的な応用は広範であり、特に光学イメージングやセンサーシステムの性能向上に寄与する可能性がある。また、NASAとの協力は、この技術が天文学においても応用される可能性を示しており、宇宙における独立した光源の探索に新たな方法を提供するかもしれない。