[논문 리뷰] Photonics-based mid-infrared interferometry: 4-year results of the ALSI project and future prospects

Lucas Labadie, Stefano Minardi외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 05.

Laser Material Processing Techniques참고 문헌 28인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ALSI 프로젝트의 4년 차 결과를 제시하며, GaLaS 및 ZBLAN 유리에서 초고속 레이저로 기록한 중적외선 통합 광학 소자를 통해 60%의 총 효율을 달성한 4개의 망원경을 결합하는 광학기구를 구현한 바, L, L′, M 대역에서 고대비, 광대역 간섭측정의 가능성을 확인하였다. 색수차는 0.35 μm⁻¹ 이하이며, 기구적 대비는 최대 90%에 이르렀다.

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.

연구 동기 및 목표

• 초고속 레이저 기록(ULI) 기술이 실제 천문 간섭측정기기와 호환되는 중적외선 통합 광학 소자를 제작하는 데 가능성이 있는지 평가하기 위해.
• L, L′, M 대역에서 장기 기준 간섭측정을 지원하기 위해 GaLaS 및 ZBLAN 유리에서 저손실 웨이브가이드를 개발하기 위해.
• 실제 천체 관측에 적합한 고효율 및 저색수차 특성을 갖춘 4개의 망원경을 결합하는 광학기구를 시연하기 위해.
• 미래 간섭측정 기기의 성능 지표인 기구적 대비, 전파 손실, 스펙트럼 안정성 등을 평가하기 위해.
• Hi5 및 PFI와 같은 기기에서 운영 가능한 중적외선 통합 광학 소자로의 발전을 위한 로드맵 수립하기 위해.

제안 방법

• 채널 웨이브가이드를 GaLaS 및 ZBLAN 유리에 초고속 레이저 기록(ULI)을 사용하여 제작하였으며, 단일 모드 작동을 가능하게 하는 코어/클래딩 굴절률 차이를 확보하였다.
• 전파 손실을 측정하기 위해 웨이브가이드를 특성화하였으며, 측정된 값은 천문학적 응용에 적합한 중간 수준의 손실을 나타내었다.
• 방향성 커퍼 및 웨이브가이드 루팅을 사용하여 4개의 망원경에서 온 광을 23개의 출력으로 결합하는 4망원경 광학기구(DBC)를 실현하였다.
• 백색광 간섭무늬의 대비와 스펙트럼 안정성을 평가하기 위해 3.8 μm 중심, 300 nm 대역폭을 갖는 다색광 간섭측정 테스트를 수행하였다.
• 푸리에 변환 분광법(FTS)을 사용하여 DBC의 분할 비율을 100 nm 대역폭 범위에서 측정하였으며, 색수차를 정량화하였다.
• 각 입력에 광을 개별적으로 주입하고 총 출력 전력의 합을 계산하여 전체 효율을 측정함으로써 효율을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고속 레이저 기록 기술로는 중적외선 통합 광학 소자를 제작할 수 있을까? 이때 전파 손실이 천체 관측용 간섭측정에 적합한 수준이 되는가?
• RQ2 DBC 아키텍처는 광대역 다색광에서 고기구적 대비와 저색수차를 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ3 GaLaS 및 ZBLAN 유리에서 초고속 레이저 기록 기술로 제작된 4망원경 광학기구의 총 효율은 얼마인가?
• RQ4 이 기구의 색수차 특성은 Gravity의 섬유 기반 광학기구와 같은 기존 근적외선 솔루션과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 DBC 아키텍처는 6개의 망원경으로 확장 가능할까? 이 경우에도 고효율과 저손실을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• GaLaS 및 ZBLAN 웨이브가이드의 전파 손실은 중간 수준으로 측정되어 천문학적 간섭측정에 실현 가능성을 보였다.
• 4망원경 광학기구(DBC)는 각 입력에 광을 주입했을 때 총 효율이 최대 60%에 이르렀으며, 실용적 천체 관측에 매우 유망한 잠재력을 보였다.
• 백색광 간섭무늬에서 기구적 대비는 40–90%로 측정되었으며, 가장 높은 대비는 중심 기준선(웨이브가이드 #10 및 #14)에서 관측되었다.
• DBC의 분할 비율 색수차는 100 nm 대역폭 범위에서 0.35 μm⁻¹ 이하로 측정되어 최신 근적외선 장치의 성능에 근접하였다.
• 복잡한 루팅이 없는 채널 웨이브가이드만을 사용함으로써 굴절 손실을 피할 수 있었으며, 이는 복잡한 루팅을 포함한 아키텍처에 비해 잠재적인 이점이 있었다.
• 낮은 신호 대비 비율로 인해 일부 기준선에서 완전한 visibility 및 위상 복원이 제한되었지만, 결과적으로 DBC는 고효율, 광대역 중적외선 간섭측정으로 향한 실현 가능한 길임을 시사하였다.