[論文レビュー] Photonics-based mid-infrared interferometry: 4-year results of the ALSI project and future prospects

Lucas Labadie, Stefano Minardi+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2020

Laser Material Processing Techniques参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ALS Iプロジェクトの4年間の成果を提示し、ガラス材料GaLaSおよびZBLANにおいて、超短パルスレーザーで作製された中赤外帯統合光回路が、低損失で動作することを示している。4つの望遠鏡を結ぶビームコンビナ系においては、合計60%の透過率を達成した。研究では、Lバンド、L′バンド、Mバンドにおける高対比・広帯域干渉計測の実現可能性が確認され、色収差分散は0.35 μm⁻¹未満、機器対比は最大90%に達した。

ABSTRACT

In this contribution, we review the results of the ALSI project (Advanced Laser-writing for Stellar Interferometry), aimed at assessing the potential of ultrafast laser writing to fabricate mid-infared integrated optics (IO) devices with performance compatible with an implementation in real interferometric instruments like Hi5 or PFI. Waveguides for the L, L' and M bands with moderate propagation losses were manufactured in Gallium Lanthanum Sulfide and ZBLAN glasses and used to develop photonic building blocks as well as a full mid-IR 4-telescope beam combiner. We discuss the advantages and disadvantages of the tested combiners and discuss a possible roadmap for the continuation of this work.

研究の動機と目的

• 超短パルスレーザー加工（ULI）が、実際の天文干渉計器と互換性を持つ中赤外帯統合光回路を製造可能かどうかを評価すること。
• Lバンド、L′バンド、Mバンドに適した低損失波ガイドをGaLaSおよびZBLANガラスに開発し、長基線干渉計測を支援すること。
• 4望遠鏡ビームコンビナ系を実装し、高い透過率と低色収差分散を実現した、実運用に適した構造を提示すること。
• 将来的な干渉計測機器用に、機器対比、損失、スペクトル安定性といった性能指標を評価すること。
• Hi5やPFIなどの機器に実用化に向けて中赤外帯統合光回路を発展させるためのロードマップを策定すること。

提案手法

• 超短パルスレーザー加工（ULI）を用いて、GaLaSおよびZBLANガラスにコア／クラッドの屈折率差を有するチャネル波ガイドを形成し、単モード動作を可能にした。
• 波ガイドの伝搬損失を測定し、天文的応用に適した中程度の損失レベルであることが確認された。
• 4望遠鏡ビームコンビナ系（DBC）を、方向結合器と波ガイドルーティングを用いて実装し、4台の望遠鏡からの光を23出力に結合した。
• 白色光干渉縞の対比とスペクトル安定性を評価するため、3.8 μm中心で300 nm帯域幅の多色光干渉測定を実施した。
• フーリエ変換分光法（FTS）を用いて、100 nm帯域幅にわたるDBCの分岐比を測定し、色収差分散を定量した。
• 各入力に光を個別に入射させ、全出力光パワーを合算することで透過率を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超短パルスレーザー加工は、実運用干渉計測に適した中赤外帯統合光回路を、十分に低い伝搬損失で実現可能か？
• RQ2 DBCアーキテクチャは、広帯域多色光において、高い機器対比と低い色収差分散をどの程度維持できるか？
• RQ3 ULIを用いてGaLaSおよびZBLANガラスに作製された4望遠鏡ビームコンビナ系の合計透過率はどの程度か？
• RQ4 本研究で開発されたビームコンビナ系の色分散特性は、Gravityのファイバーコンビナ系などの既存の近赤外帯ソリューションと比較してどうか？
• RQ5 DBCアーキテクチャは、6望遠鏡構成に拡張可能であり、高い効率と低損失を維持できるか？

主な発見

• GaLaSおよびZBLAN波ガイドの伝搬損失は中程度であり、天文的干渉計測に実現可能であることが示された。
• 4望遠鏡ビームコンビナ系（DBC）は、4つの入力に光を個別に入射した場合、最大60%の合計透過率を達成した。これは、実運用に向けた強い可能性を示している。
• 白色光干渉縞において、40–90%の機器対比が測定され、特に中央基線（波ガイド#10および#14）で最高の対比が観測された。
• DBCの分岐比の色収差分散は、100 nm帯域幅で0.35 μm⁻¹未満であり、最新の近赤外帯デバイスと同等の性能に近づいた。
• 複雑なルーティングを避けており、曲げ損失を回避するためのチャネル波ガイドのみを用いた設計であるため、他の構造に比べて潜在的な利点がある。
• 一部の基線ではSN比が低いため、完全な visiblity および位相再構成が困難であったが、結果としてDBCは高透過率・広帯域中赤外干渉計測への実現可能性を示している。