[論文レビュー] Enabling the next generation of scientific discoveries by embracing photonic technologies

Nemanja Jovanović, Charles Beichman+47 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2019

Photonic Crystal and Fiber Optics参考文献 68被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、極大望遠鏡（ELT）および宇宙ミッション向けに、コンpaktoかつ高性能な機器を実現するため、5〜10年間で2000万ドルの投資を求める。統合フォトリックスペクトロスコピー（IPS）技術の開発を加速するもので、既存の通信分野のフォトリック技術を天文用途に応用することで、現在の機器のサイズ、コスト、性能の限界を克服する。波導ベースのデバイス、効率の向上、商業的スケーラビリティに注力する。

ABSTRACT

The fields of Astronomy and Astrophysics are technology limited, where the advent and application of new technologies to astronomy usher in a flood of discoveries altering our understanding of the Universe (e.g., recent cases include LIGO and the GRAVITY instrument at the VLTI). Currently, the field of astronomical spectroscopy is rapidly approaching an impasse: the size and cost of instruments, especially multi-object and integral field spectrographs for extremely large telescopes (ELTs), are pushing the limits of what is feasible, requiring optical components at the very edge of achievable size and performance. For these reasons, astronomers are increasingly looking for innovative solutions like photonic technologies that promote instrument miniaturization and simplification, while providing superior performance. Astronomers have long been aware of the potential of photonic technologies. The goal of this white paper is to draw attention to key photonic technologies and developments over the past two decades and demonstrate there is new momentum in this arena. We outline where the most critical efforts should be focused over the coming decade in order to move towards realizing a fully photonic instrument. A relatively small investment in this technology will advance astronomical photonics to a level where it can reliably be used to solve challenging instrument design limitations. For the benefit of both ground and space borne instruments alike, an endorsement from the National Academy of Sciences decadal survey will ensure that such solutions are set on a path to their full scientific exploitation, which may one day address a broad range of science cases outlined in the KSPs.

研究の動機と目的

• 極大望遠鏡（ELT）におけるマルチオブジェクトおよびインテグラルフィールドスペクトログラフの分野で、技術的バッテリーが顕著に顕在化している問題に取り組む。特に、機器のサイズとコストが実現可能性の限界に達している。
• 光学結合の難易、再設計コストの高さ、未熟な部品、保守的な機関的態度といった要因により、天文学分野におけるフォトリック技術の導入が遅れている問題を克服する。
• 標準化され、スケーラブルでコスト効率の良い解決策を提供することで、フォトリック技術、特に統合フォトリックスペクトログラフ（IPS）の熟成と統合を加速し、主要な天文学的施設に統合する。
• 研究から飛行用機器への移行を低リスクかつ迅速に進めるための公的・民間パートナーシップモデルを確立し、次世代の宇宙物理学的観測分野における米国のリーダーシップを確保する。

提案手法

• OバンドおよびCバンドに最適化された成熟した通信分野フォトリック技術（例：光ファイバーや集積回路）を、天文用途の波長（例：1〜2.5 μm）に適応させる。主にシリカ/シリコン、窒化ケイ素、酸化物上シリコンのプラットフォームに焦点を当てる。
• 大学の研究者と商業ファブリケーションファウンダリーとの協働により、高スペクトル分解能（R > 100,000）、広帯域、低損失を実現する統合フォトリックスペクトログラフ（IPS）の開発と標準化を推進する。
• 極限の自己適応光学（ExAO）システムを用いて、望遠鏡のビームと単モード波導との間の結合効率を向上させ、90%以上のStrehl比を達成することで、回折限界性能を実現する。
• 既存の商業的フォトリック設計ツールとファブリケーションファウンダリーを活用し、開発時間とコストを削減する。フォトリック部品のコミュニティ主導の調達パイプラインの構築に注力する。
• 段階的な技術開発ロードマップを実施する：プロトタイプIPSデバイスの開発に2〜3年、高度な設計ツールセットおよびカスタム部品統合に5〜10年を要する。
• 特定の資金支援を通じて産業パートナーを関与させ、ラベルスケールから商業生産への移行を促進する。特に、広帯域結合器、可変フィルター、低損失波導体といった主要部品を対象とする。長期的持続可能性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代の天文学的スペクトログラフ（ELTおよび宇宙ミッション向け）が求める高いスペクトル分解能と波長カバー範囲を満たすために、フォトリック技術をどのように適合できるか？
• RQ2 統合フォトリクスが天文学的機器に広く採用されていない主な技術的・機関的障壁は何か。それらを体系的にどのように克服できるか？
• RQ3 既存の通信分野フォトリックプラットフォームおよび製造プロセスを、最小限の再設計で天文学的用途に再利用できる程度にまで拡張可能か？
• RQ4 統合フォトリックスペクトログラフを飛行用に成熟させるためにどの程度の投資が必要か。また、従来のスペクトログラフシステムと比較してコストはどの程度か？
• RQ5 公的・民間パートナーシップを通じて、天文学的フォトリック部品の持続可能でスケーラブルかつコスト効率の良いサプライチェーンをどのように構築できるか？

主な発見

• 5〜10年間で1000万ドルのIPS開発への投資により、地上のELTおよび宇宙ミッションに適した高性能でコンパクトな機器の開発が可能になる。
• 現在の極限自己適応光学（ExAO）システムは、90%以上のStrehl比を達成でき、単モード波導への効率的な結合を可能にし、地上望遠鏡における高分解能フォトリックスペクトログラフィーの実現を可能にする。
• マルチモードファイバーは、観測限界のスペクトログラフィーにおいて効果的な「光のバケツ」として機能するが、AO補正と組み合わせた単モード波導は、回折限界動作を実現する上で優れた性能を示す。
• フォトリック部品の開発および認定コストは、IPS開発で1000万ドル、支援技術で1000万ドル程度と推定され、1台のELTまたは宇宙ミッション用スペクトログラフのコストのほんのわずかな一部に過ぎない。
• 商業フォトリックファウンダリーと設計ツールを活用することで開発を加速できるが、コミュニティ主導の調達プロセスと学術界・産業界の密接な連携が、スケーラビリティを実現するために不可欠である。
• VLTIにおけるGRAVITYの成功——4台の8m望遠鏡、4台のAOシステム、統合フォトリックビームコンビナターを備える——は、フォトリック技術に大胆かつ持続的な投資が、世界で類を見ない科学的能力を生み出すことを示しており、米国がこの分野でリーダーシップを発揮するための模範例である。