当光束纠缠，芯片把它们分开

灯泡这类日常光源发出的大多是非相干光。和激光不同，这类光波之间不存在固定的相位关联。当多种光束叠加在一起时，想要从中拆分出原始的各个光分量，长期以来都是一大难题。

研究团队结合先进光子芯片与分选算法，研制出一款器件。它能够从混合的非相干光或部分相干光源中，分离输出纯净、互不干扰的非相干光束，实验已成功实现两路、三路输入光源的分离。借助这项技术，科研人员可以区分不同光源，从光信号中提取更多信息，赋能相机、显微镜、望远镜等诸多设备。斯坦福大学工程师与合作团队设计出这款芯片：它接收多束激光混叠后的复合光，输出彼此独立的纯净光束。

研究团队首次在实验上验证，一款器件能够接收混合光/部分相干光，并将其中的光子分拣成多束相互独立的光束。该成果10月30日发表于《自然·光子学》，不仅验证了早已提出的相关物理理论，也开辟了一条全新的观测路径，在显微、天文等领域具备应用潜力。“我们第一次用实验，验证了上世纪80年代就提出的理论构想。”论文共同一作、电气工程博士生安妮·克鲁（Annie Kroo）表示，“这项工作对大量应用都意义重大，它给我们提供了一套全新的光学研究思路。”

舞动的光子

克鲁解释，灯泡属于非相干光源，激光则是相干光源。拿激光照射网格，对面墙面会形成散斑图样；换成灯泡照射同一张网格，得到的是柔和、弥散的光斑。激光里所有光子同步振荡，因此在墙面形成轮廓分明的图案：部分区域光场相长叠加，部分区域相互抵消。而灯泡发出的光子振荡不同步，最终形成模糊的光斑。

科研人员希望拆解这类“灯泡式光源”内部蕴含的不同振荡分量，以此开发新型光通信、光计算与传感方案。奥地利科学技术研究所助理教授、前斯坦福科学研究员查尔斯·罗克-卡姆（Charles Roques-Carmes），也是本文作者之一：“我们在光学领域看到了新机会：挖掘光最本征的特性——也就是部分相干性，并把它落地到各类应用中。想要做到这点，就必须把光场拆解成一组组互不相干、统计上无关联的光分量。”

为验证这一思路，团队使用了一枚指甲盖尺寸的光子芯片。光子芯片依靠光子完成信息处理，就像电脑、手机里的微电子芯片依靠电子运算。这类光芯片近年持续小型化、性能提升，但对光子的调控依旧难度很高。斯坦福工程学院奥洛夫·索尔加德（Olav Solgaard，Audrey S. Hancock讲席教授）说：“把光学系统集成到芯片上，就能获得更优秀的光学性能，正如集成电路革新电子技术一样。”

光束的混合与拆解

实验中，研究人员将两束红外激光输入芯片，光源混合后形成部分相干光：光子的振荡在短时间内同步，之后很快失去相位关联。芯片依靠内置算法与光路结构，依据光源特征自动完成光束分选。

芯片最终输出分离后的光束。研究人员再把这些出射光送入混光装置，检验它们能否发生光强叠加；结果显示两束光不再同步振荡，证明它们已经是相互独立、完全非相干的光束。

受到该结果鼓舞，团队又加入第三路激光输入，芯片依旧可以把混合光拆分成多束纯净光束。

奥地利科学技术研究所访问学者、法国巴黎高等矿业学院工程学生保罗-亚历克西斯·莫尔（Paul-Alexis Mor，共同一作）说：“观察输出光束就能发现，它们振荡完全不同步，彼此之间不存在任何关联。”

斯坦福荣誉电气工程讲席教授戴维·米勒（David Miller）介绍，芯片内置算法会识别部分相干光内部独特的特征信号，以此分离各个相干分量。斯坦福约瑟夫与麦·古德曼讲席教授范汕洄（Shanhui Fan）表示：“我们的芯片能够识别未知光场底层的各个相干模式，并把它们物理路由到不同输出端口。这让我们既能分析光的空间相干特性，分离出来的光束还可以送入后续系统继续处理。”

看清完整信息

相比传统高端相机，把混合光拆解为独立相干分量，可以帮助研究者从光信号里挖掘更多信息。普通相机生成二维图像时，重叠光源的信号往往会被混在一起，无法区分。

米勒说：“相机成像时，深度信息直接丢失。而完成光束分离之后，我们就能获取这束光所有可被探测的信息，包括其中蕴含的全部深度信息。”举个例子：显微镜下两个荧光颗粒如果位置重叠，传统成像会把它们显示成一个光斑。而这套光子芯片方案理论上可以区分二者各自发出的光。克鲁说：“哪怕它们在空间上完全重合，光信号本身携带的信息，依然能告诉我们这里存在两个独立光源。”

米勒、索尔加德与克鲁目前正和NASA合作，测试这项新技术能否用于探测遥远星系的光信号。望远镜里看着是一团光斑的天体，内部或许包含多颗恒星、系外行星各自发出的独立光束。克鲁说：“世界上大量信息都承载在光里。光是探测环境非常理想的载体。”