[논문 리뷰] Interferometric Beam Combination with a Triangular Tricoupler Photonic Chip

Jonah T. Hansen, Michael Ireland외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 09.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 36인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 삼각형 삼중합성광 칩을 제안하며, 이는 광간섭측정에서 순식간에 고-throughput 빔 조합을 가능하게 하며 세 개의 출력을 제공하여 85±7%의 효율을 달성하고, 시간에 따른 조절 없이 실시간 군지연 추정이 가능하다. 칩은 ±120°의 위상 오프셋을 통해 복소 visibility 정보를 완전히 제공하며, Pyxis와 같은 우주 및 큐브사트 호환 간섭계를 위한 기존의 ABCD 조합기보다 더 단순하고 고-throughput 대안을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광원이 부족한 환경에서 가시광선 간섭측정을 위한 컴팩트하고 고-throughput 빔 조합기를 개발하기 위해.
• 기존의 2차원 비대칭 평면 빔 조합기(예: ABCD 칩)의 복잡성과 효율 제한 문제를 해결하기 위해.
• 시간적 또는 공간적 조절 없이도 복소 visibility 및 군지연을 순식간에 측정할 수 있도록 하기 위해.
• 형성비행 우주 간섭측정을 위한 Pyxis 지상 프로토타입에 삼중합성광 칩을 통합하기 위해.
• 변동하는 광로 지연 및 편광 조건 하에서 칩의 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 세 입력과 세 출력을 가지며 각각 ±120° 위상 이동을 갖는 3차원 삼각형 삼중합성광 칩의 설계 및 제작.
• 단일 모드 웨이브가이드를 사용하여 빛을 간섭 가능한 방식으로 유도하고, 모드 간 간섭 및 대기 흐트림 영향을 최소화.
• 불균일한 조도 공급으로 인한 visibility 추정치의 진동성 노이즈를 제거하기 위해 후처리 알고리즘을 적용.
• 세 출력 강도를 기반으로 한 복소 간섭도 추정기구를 구현하여 복소 visibility 및 군지연을 추출.
• 파장 채널에 걸친 평균 복소 간섭도를 바탕으로 유도된 위상 지연 추정기구를 구현하였으며, 기구적 오프셋 보정 및 위상 풀림 처리를 수행.
• 제어된 광로 지연을 갖는 실험실 기반 간섭측정 장치에 칩을 적용하여 반응성 및 안정성 테스트를 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼각형 삼중합성광 칩은 세 개의 출력만으로도 전체 복소 visibility 정보를 유지하면서 고-throughput 빔 조합을 달성할 수 있는가?
• RQ2 변동하는 광로 지연 조건 하에서 칩의 성능은 어떠한가? 그리고 조절 없이 실시간 군지연 추정이 가능한가?
• RQ3 조도 불균형과 편광 차이가 visibility 및 위상 추정 정확도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 후처리 알고리즘을 통해 visibility 측정치의 진동성 노이즈를 얼마나 효과적으로 보정할 수 있는가?
• RQ5 미래의 우주 간섭측정에 필요한 엄격한 위상 안정성 요구사항(RMS 오차 < 0.5 rad)을 칩이 충족할 수 있는가?

주요 결과

• 삼중합성광 칩은 85±7%의 효율을 달성하였으며, 20% 대역폭 범위에서 33:33:33에서 52:31:17까지의 조도 분할 비율를 보였다.
• 시간 조절 없이도 복소 visibility 및 군지연을 순식간에 추정할 수 있었으며, ±13 µm 범위 내에서 군지연을 회복할 수 있었다.
• 위상 지연 추정의 RMS 오차는 내부 ±3 µm 범위에서 49 nm였으며, 740 nm에서 향후 우주 임무의 요구사항 59 nm를 충족했다.
• 편광에 따라 4.74 라디안의 기구적 위상 이동이 관측되어 각 편광 상태에 대해 보정이 필요했다.
• 조도 불균형으로 인해 visibility 추정치에 진동성 노이즈 신호가 나타났으며, 이는 후처리 알고리즘을 통해 완화되었다.
• 출력 수가 적어 픽셀당 신호 대 노이즈 비율이 높아, 큐브사트 기반 간섭측정과 같은 광원이 부족한 컴팩트 시스템에 매우 적합하다.