Prototype-enhed måler absolut optisk effekt i fiber på nanowatt-niveauer

(PhysOrg.com) - Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har demonstreret en prototypeenhed, der er i stand til absolutte målinger af optisk effekt leveret gennem en optisk fiber.

Enheden er verdens første fiberkoblede kryogene radiometer, der forbinder optiske fibereffektmålinger direkte til grundlæggende elektriske enheder og nationale standarder. Den bruger en mikroskopisk skov af kulstofnanorør - verdens mørkeste materiale - til at måle værdier, der er omkring en tusindedel af de niveauer, der typisk opnås med et kryogent radiometer, der mangler direkte fiberinput. Med forbedringer i temperaturkontrol og hastighed, enheden kunne opfylde behovene for ultrapræcise kalibreringer ved ultralav effekt i telekommunikation, medicinsk udstyr og andre industrier.

Optisk effekt og energi kan spores til grundlæggende elektriske enheder. Radiometre absorberer optisk energi og omdanner den til varme. Derefter måles den elektriske effekt, der er nødvendig for at inducere den samme temperaturstigning. Fordi optisk og elektrisk opvarmning ikke er helt ækvivalente, måleusikkerheder kan være relativt store set ud fra et metroologisk synspunkt.

Demonstrationen er også et skridt i retning af at konvertere radiometri fra en klassisk praksis baseret på elektriske enheder til en kvantepraksis baseret på enkelte lyspartikler (fotoner).

"Vi har mange kunder, der efterspørger optiske effektmålinger i fiber, primært til optisk kommunikation, " siger projektleder John Lehman. "Også, vores enkeltfotonmålinger udføres i fiber."

Det nye radiometer er omkring 70 millimeter (mm) langt og inkorporerer en 1,45 mm tyk optisk fiber dækket af et lysfangende hulrum i den ene ende med nanorørabsorberen og en varmelegeme. De ultramørke nanorør er dyrket på et lille X-formet stykke mikrobearbejdet silicium. Lysabsorptionen var så høj, at det var vanskeligt at bestemme måleusikkerheder; Lehman rejste til et særligt anlæg på National Physical Laboratory (den britiske ækvivalent til NIST) for at foretage nogle målinger.

Eksperimenter og beregninger peger på, at det nye radiometer kan måle et effektniveau på 10 nanowatt med en usikkerhed på 0,1 procent. Til sammenligning, typiske målinger af optisk effekt leveret gennem fiber har en usikkerhed på 3 procent eller mere ved tilsvarende effektniveauer. Vigtigere, disse kommercielle enheder er afhængige af en række kalibreringer for at etablere sporbarhed til nationale standarder.

NIST sigter mod at udvikle en absolut kvantestandard for optisk effekt og energi baseret på enkelte fotoner. Indsatsen omfatter udvikling af kilder og detektorer, der spænder over en bred vifte af optiske effektmålinger, fra enkeltfotontællinger til billioner af fotoner. Enkelte fotoner bruges allerede i kvantekommunikationssystemer, som tilbyder nye muligheder såsom at detektere ekstremt svage optiske signaler og give kvantegarantier for sikkerhed.