[論文レビュー] Interferometric Beam Combination with a Triangular Tricoupler Photonic Chip

Jonah T. Hansen, Michael Ireland+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2021

Photonic and Optical Devices参考文献 36被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、3つの出力を備えた即時の高スループットビーム結合を可能にする光学干渉計における三角形三路結合器光集積回路を提案する。85±7%のスループットを達成し、時間的変調なしでリアルタイムの群遅延推定が可能である。±120°の位相差を用いることで、完全な複素可視度情報を得られ、Pyxisのような空間およびキューブサット適合型干渉計における従来のABCD結合器の代替として、より単純かつ高スループットな選択肢を提供する。

ABSTRACT

Beam combiners are important components of an optical/infrared astrophysical interferometer, with many variants as to how to optimally combine two or more beams of light to fringe-track and obtain the complex fringe visibility. One such method is the use of an integrated optics chip that can instantaneously provide the measurement of the visibility without temporal or spatial modulation of the optical path. Current asymmetric planar designs are complex, resulting in a throughput penalty, and so here we present developments into a three dimensional triangular tricoupler that can provide the required interferometric information with a simple design and only three outputs. Such a beam combiner is planned to be integrated into the upcoming $ extit{Pyxis}$ interferometer, where it can serve as a high-throughput beam combiner with a low size footprint. Results into the characterisation of such a coupler are presented, highlighting a throughput of 85$\pm$7% and a flux splitting ratio between 33:33:33 and 52:31:17 over a 20% bandpass. We also show the response of the chip to changes in optical path, obtaining an instantaneous complex visibility and group delay estimate at each input delay.

研究の動機と目的

• 可視光帯域の干渉計において、光子が不足する環境に適したコンactで高スループットなビーム結合器を開発すること。
• 従来の2次元非対称平面ビーム結合器（例：ABCDチップ）の複雑さとスループットの制限を解決すること。
• 時間的・空間的変調なしで、複素可視度および群遅延の即時の測定を可能にすること。
• フォーメーション飛行型宇宙干渉計のための地上プロトタイプPyxisに三路結合器を統合すること。
• 変動する光路遅延および偏光条件下でのチップの性能を検証すること。

提案手法

• 3入力3出力の3次元三角形三路結合器光集積回路の設計およびプロセス。各出力は±120°の位相差を持つ。
• 単モード波導を用いて光を効率的に導波・結合し、モードクロストークおよび大気乱流の影響を最小限に抑える。
• 不均一なフラックス注入によって生じる可視度推定値の振動ノイズを除去するための後処理アルゴリズムの適用。
• 3つの出力強度に基づく複素コherエンス推定器を実装し、複素可視度および群遅延を抽出する。
• 波長チャンネル全体の平均複素コヒーレンスに基づく位相遅延推定器を構築。位相アンラップおよび機器オフセットのキャリブレーションを実施。
• 制御された光路遅延を備えた実験室ベースの干渉計装置にチップを適用し、応答性および安定性をテストする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 三角形三路結合器光集積回路は、3つの出力のみで、複素可視度情報の完全な保持を維持しながら高スループットのビーム結合を達成できるか？
• RQ2 変動する光路遅延下での性能はいかにか？また、時間変調なしでリアルタイムの群遅延推定が可能か？
• RQ3 フラックスの不均衡および偏光の違いが、可視度および位相推定の正確さに与える影響は何か？
• RQ4 可視度測定値の振動ノイズを補正するための後処理アルゴリズムによって、チップの性能はどの程度安定化できるか？
• RQ5 今後の宇宙用干渉計に必要な高い位相安定性（RMS誤差 < 0.5 rad）を満たすことができるか？

主な発見

• 三路結合器は85±7%のスループットを達成。20%帯域幅において、フラックス分割比は33:33:33から52:31:17の範囲で変動した。
• 時間的変調なしで即時の複素可視度および群遅延推定が可能であり、±13 µmの範囲で群遅延が回復可能であった。
• 位相遅延推定のRMS誤差は、内側の±3 µm範囲で49 nmであり、740 nmでの今後の宇宙ミッションの要件（59 nm）を満たした。
• 偏光依存の機器位相シフトが4.74ラジアン観測され、各偏光状態ごとにキャリブレーションが必要であった。
• 不均一なフラックス注入により可視度推定値にノイズを伴う振動信号が生じたが、後処理アルゴリズムによりこれを緩和した。
• 出力数が少ないため、ピクセルあたりの信号対雑音比が高く、キューブサットベースの干渉計のような光子が不足するコンactシステムに最適であることが示された。