Des chercheurs de l’Université de Stanford et des institutions collaboratrices ont développé une puce photonique capable de séparer la lumière partiellement cohérente en faisceaux distincts et mutuellement incohérents, aidant potentiellement les caméras, les microscopes et les télescopes à capturer des informations que l’imagerie conventionnelle peut manquer.
Le dispositif de la taille d’un ongle utilise un réseau de composants de traitement de la lumière et un algorithme d’optimisation pour identifier et séparer physiquement les modes de cohérence sous-jacents au sein d’un champ optique mixte.
L’avance, publiée le 30 octobre dans Photonique naturelledémontre une capacité que les chercheurs avaient proposée théoriquement il y a des décennies mais qu’ils n’avaient pas encore réalisée expérimentalement.
La plupart des systèmes optiques conventionnels sont conçus autour d’une lumière cohérente, telle que des faisceaux laser, dont les ondes entretiennent une relation stable les unes avec les autres. En revanche, les sources lumineuses ordinaires produisent une lumière avec différents degrés de cohérence. Lorsque plusieurs contributions se chevauchent, leur intensité combinée peut masquer des informations sur le champ optique sous-jacent.
Le nouvel analyseur de lumière photonique pourrait aider à récupérer une partie de ces informations en séparant le champ en modes de cohérence distincts.
Chip apprend les modèles de lumière
Les chercheurs ont construit le dispositif à l’aide d’un circuit photonique au silicium contenant un réseau d’interféromètres. Ces composants guident et manipulent la lumière sur une puce, un peu comme les circuits électroniques traitent les signaux électriques.
L’équipe a introduit deux lasers infrarouges indépendants dans la puce, créant ainsi un mélange partiellement cohérent. L’appareil a utilisé un réseau auto-configurable et un algorithme d’optimisation pour identifier les modes de cohérence dominants dans la lumière entrante.
Plutôt que de simplement séparer les sources laser d’origine, la puce diagonalise la matrice de cohérence du champ lumineux. Cela produit des modes orthogonaux mutuellement incohérents, même lorsque les faisceaux d’origine se chevauchent spatialement.
Les chercheurs ont démontré l’approche à l’aide d’un dispositif à neuf entrées. Il a séparé les deux modes de cohérence les plus forts avec une fidélité de plus de 98 pour cent par rapport à une méthode de tomographie de référence. Ils ont également vérifié que le système pouvait fonctionner au-delà de deux modes dans le cadre d’une expérience distincte à trois modes.
Une fois configurée, la puce achemine physiquement les modes séparés vers différents canaux de sortie, où ils restent disponibles pour un traitement optique ultérieur.
« Notre puce apprend les modes de cohérence sous-jacents d’un champ lumineux inconnu et les dirige physiquement vers des sorties séparées », a déclaré le co-auteur Shanhui Fan, professeur de génie électrique à Stanford.
L’imagerie obtient des informations cachées
La capacité de distinguer les contributions optiques qui se chevauchent pourrait améliorer les mesures dans les situations où les caméras conventionnelles enregistrent des modèles d’intensité similaires.
Par exemple, deux particules fluorescentes rapprochées peuvent apparaître comme une seule caractéristique au microscope. Leur lumière pourrait néanmoins contenir des informations spatiales et de phase différentes. Séparer les modes de cohérence pourrait aider à révéler cette distinction.
Les chercheurs ont également démontré que la puce pouvait mesurer des informations contenues dans les relations de phase qui manqueraient aux mesures d’intensité uniquement.
L’équipe collabore actuellement avec la NASA pour déterminer si cette approche pourrait aider à analyser la lumière provenant de galaxies lointaines. Un seul élément brillant dans une image de télescope, par exemple, pourrait contenir de la lumière provenant de plusieurs étoiles ou d’autres sources astronomiques.
Au-delà de l’imagerie, les chercheurs ont déclaré que la technologie pourrait prendre en charge la détection optique, la communication et l’informatique. La même architecture de puce peut également fonctionner en sens inverse pour générer une lumière partiellement cohérente avec une structure de cohérence choisie.
Le travail établit une approche programmable pour mesurer, séparer et contrôler la lumière partiellement cohérente. Des développements supplémentaires seront nécessaires pour adapter le système à un plus grand nombre de modes optiques et à des vitesses de contrôle plus rapides avant de pouvoir être utilisé dans des systèmes d’imagerie pratiques.
La recherche a été publiée dans Photonique naturelle.
