[論文レビュー] A Microphotonic Astrocomb

Ewelina Obrzud, M. Rainer+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、窒化ケイ素マイクロレゾネータにおけるソリトン形成を用いて生成されたマイクロフォトニクス的アストロコンブを示しており、23.7 GHzのライン間隔を達成し、高精度のドップラー速度校正に適している。このシステムはGIANO-B分光計において10 cm/sレベルの波長校正を実現し、従来の可撃電極ランプを上回り、次世代の系外惑星および宇宙論的研究を可能にする。

ABSTRACT

One of the essential prerequisites for detection of Earth-like extra-solar planets or direct measurements of the cosmological expansion is the accurate and precise wavelength calibration of astronomical spectrometers. It has already been realized that the large number of exactly known optical frequencies provided by laser frequency combs ('astrocombs') can significantly surpass conventionally used hollow-cathode lamps as calibration light sources. A remaining challenge, however, is generation of frequency combs with lines resolvable by astronomical spectrometers. Here we demonstrate an astrocomb generated via soliton formation in an on-chip microphotonic resonator ('microresonator') with a resolvable line spacing of 23.7 GHz. This comb is providing wavelength calibration on the 10 cm/s radial velocity level on the GIANO-B high-resolution near-infrared spectrometer. As such, microresonator frequency combs have the potential of providing broadband wavelength calibration for the next-generation of astronomical instruments in planet-hunting and cosmological research.

研究の動機と目的

• 地球型系外惑星の検出および宇宙論的膨張の測定を目的とした、超高精度かつ高安定性な波長校正を必要とする天文分光計の課題に対処する。
• 従来の可撃電極ランプには、ラインの不安定性、希釈性、重なりの問題があり、10 cm/s未満のドップラー速度測定には不適切であるという制限を克服する。
• マイクロレゾネータに基づく周波数コンブが、広い間隔で正確に既知の光学周波数を生成できることを実証する。
• 実際の天文機器環境において、チップ統合型マイクロフォトニクス周波数コンブを用いて10 cm/sレベルの校正精度を達成する。
• 確立されたU-Ne可撃電極ランプ基準と比較して、マイクロレゾネータアストロコンブの一致性と信頼性を検証する。

提案手法

• 自由スペクトル範囲23.7 GHz、線幅300 MHzの窒化ケイ素マイクロレゾネータでソリトン形成により周波数コンブを生成する。
• 11.85 GHzで位相および強度変調された連続波レーザーを、チルプドファイバー・ブレグ効果グレーティングを介してピコ秒パルスに圧縮し、マイクロレゾネータに結合する前に増幅する。
• 絶対周波数校正のため、GPSに同期された10 MHz原子時計基準に、コンブの繰返し周波数（f_rep）およびキャリアエンveロープオフセット周波数（f_0）を安定化する。
• モードノイズおよびスパッツル効果を低減するため、単モードファイバーからマルチモードファイバーへのコンブの転送に空間モードスキャンブラーを用いる。
• コンブをGIANO-B高分解能近赤外分光計に注入し、2048×2048画素の検出器アレイにクロス分散して配置する。
• コンブラインの最小二乗ガウスフィッティングによるピクセル-波長マッピングを行い、補間された校正データに5点スライディングボックス平均を適用してフィッティング不確実性を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チップスケールのマイクロレゾネータ周波数コンブは、天文分光計で解像可能なライン間隔を生成でき、10 cm/s未満のドップラー速度校正が可能か？
• RQ2 マイクロレゾネータアストロコンブは、従来の可撃電極ランプと同等またはそれ以上の波長校正精度を達成できるか？
• RQ3 マイクロレゾネータコンブは原子基準に安定化可能で、絶対周波数の正確性と長期的安定性を確保できるか？
• RQ4 確立されたU-Ne可撃電極ランプ基準と比較して、マイクロレゾネータコンブの校正性能はどの程度か？
• RQ5 実際の天文機器環境において、マイクロレゾネータベースのシステムが達成可能な全スペクトルのドリフトおよび校正精度はどの程度か？

主な発見

• マイクロレゾネータアストロコンブは23.7 GHzのライン間隔を達成しており、これは天文分光計で解像可能で、高精度校正に適している。
• システムは25 cm/sの波長校正精度を達成しており、基本的な光子ノイズ限界と整合しており、従来の校正手法よりも顕著に優れている。
• 2つの独立したLFC露出間で測定された全スペクトルドリフトは3.24 ± 0.23 MHz（4.86 ± 0.35 m/s）であり、高い安定性を示している。
• マイクロレゾネータコンブの校正は、U-Ne可撃電極ランプ基準と一致しており、文献値と比較した平均周波数差がゼロであることが確認された。
• Echelleオーダー全体にわたり高い再現性と安定性を示しており、検出器アレイのインターフェースでしか観測されない特徴的な不連続性が確認された。
• 本システムは、次世代の天文機器における広帯域でチップ統合された校正の実現可能性を示しており、可視域および全近赤外帯域への応用拡張が可能である。