(PhysOrg.com) -- Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een prototype apparaat gedemonstreerd dat in staat is tot absolute metingen van optisch vermogen geleverd door een optische vezel.

Het apparaat is 's werelds eerste vezelgekoppelde cryogene radiometer die optische vezelvermogensmetingen rechtstreeks koppelt aan fundamentele elektrische eenheden en nationale normen. Het gebruikt een microscopisch bos van koolstofnanobuisjes - 's werelds donkerste materiaal - om waarden te meten die ongeveer een duizendste zijn van de niveaus die doorgaans worden bereikt met een cryogene radiometer zonder directe vezelinvoer. Met verbeteringen in temperatuurregeling en snelheid, het apparaat zou kunnen voldoen aan de behoeften voor ultranauwkeurige kalibraties bij ultralaag vermogen in telecommunicatie, medische apparaten en andere industrieën.

Optisch vermogen en energie zijn herleidbaar tot fundamentele elektrische eenheden. Radiometers absorberen optische energie en zetten deze om in warmte. Vervolgens wordt het elektrische vermogen gemeten dat nodig is om dezelfde temperatuurstijging teweeg te brengen. Omdat optische en elektrische verwarming niet precies gelijkwaardig zijn, meetonzekerheden kunnen vanuit metrologisch oogpunt relatief groot zijn.

De demonstratie is ook een stap in de richting van het omzetten van radiometrie van een klassieke praktijk op basis van elektrische eenheden naar een kwantumpraktijk op basis van enkele lichtdeeltjes (fotonen).

"We hebben veel klanten die optische vermogensmetingen in glasvezel aanvragen, voornamelijk voor optische communicatie, " zegt projectleider John Lehman. "Ook, onze single-photon metingen worden gedaan in fiber."

De nieuwe radiometer is ongeveer 70 millimeter (mm) lang en bevat een 1,45 mm dikke optische vezel die aan één uiteinde wordt afgedekt door een lichtvangende holte met de nanobuisabsorber en een verwarming. De ultradonkere nanobuisjes worden gekweekt op een klein X-vormig stukje microbewerkt silicium. De lichtabsorptie was zo hoog dat het moeilijk was om meetonzekerheden te bepalen; Lehman reisde naar een speciale faciliteit in het National Physical Laboratory (het Britse equivalent van NIST) om enkele metingen te doen.

Experimenten en berekeningen geven aan dat de nieuwe radiometer een vermogen van 10 nanowatt kan meten met een onzekerheid van 0,1 procent. Ter vergelijking, typische metingen van optisch vermogen geleverd via glasvezel hebben een onzekerheid van 3 procent of meer bij vergelijkbare vermogensniveaus. Belangrijker, deze commerciële apparaten zijn afhankelijk van een reeks kalibraties om traceerbaarheid naar nationale normen vast te stellen.

NIST wil een absolute kwantumstandaard ontwikkelen voor optisch vermogen en energie op basis van enkele fotonen. De inspanning omvat de ontwikkeling van bronnen en detectoren die een breed scala aan optische vermogensmetingen omvatten, van enkele fotonentellingen tot biljoenen fotonen. Enkele fotonen worden al gebruikt in kwantumcommunicatiesystemen, die nieuwe mogelijkheden bieden, zoals het detecteren van extreem zwakke optische signalen en het bieden van kwantumgaranties op beveiliging.