[论文解读] 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 5

一句话总结

该论文提出了一种用于光学干涉测量的三角形三路耦合器光子芯片，可实现瞬时、高吞吐量的光束组合，具有三个输出端口，吞吐量达85±7%，并可在无时间调制的情况下实现群延迟的实时估计。该芯片通过±120°的相位偏移提供完整的复数可见度信息，为适用于空间站和立方星的干涉仪（如Pyxis）提供了一种更简单、更高吞吐量的替代方案，相较于传统的ABCD耦合器。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于可见光波段干涉测量的紧凑型、高吞吐量光束组合器，适用于光子匮乏的环境。
• 解决传统二维非对称平面光束组合器（如ABCD芯片）在复杂性和吞吐量方面的局限性。
• 实现在无时间调制或空间调制情况下的复数可见度和群延迟的瞬时测量。
• 将三路耦合器集成到Pyxis地面原型中，用于编队飞行空间干涉测量。
• 在不同光程延迟和偏振条件下验证芯片的性能表现。

提出的方法

• 设计并制造一种具有三个输入和三个输出的三维三角形三路耦合器光子芯片，各输出端口相位差为±120°。
• 采用单模波导引导并相干合并光束，最大限度减少模式串扰和大气湍流的影响。
• 采用后处理算法消除因光强注入不均导致的可见度估计中的振荡噪声。
• 基于三个输出端口的光强实现复数相干性估计器，以提取复数可见度和群延迟。
• 利用波长通道上复数相干性的平均值推导出相位延迟估计器，结合相位解缠绕和仪器偏移校准。
• 在实验室干涉测量装置中应用该芯片，通过控制光程延迟测试其响应和稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 三角形三路耦合器光子芯片是否能在仅使用三个输出端口的情况下实现高吞吐量光束组合，同时保持完整的复数可见度信息？
• RQ2 该芯片在可变光程延迟条件下的表现如何？是否可在无调制情况下实现群延迟的实时估计？
• RQ3 光强不平衡和偏振差异对可见度和相位估计精度有何影响？
• RQ4 通过后处理算法对可见度测量中的振荡噪声进行校正，能在多大程度上稳定芯片性能？
• RQ5 该芯片是否能满足未来空间干涉测量所需的严格相位稳定性要求（RMS误差 < 0.5 rad）？

主要发现

• 三路耦合器实现了85±7%的吞吐量，光强分配比在20%带宽范围内介于33:33:33至52:31:17之间。
• 该芯片实现了无时间调制的复数可见度和群延迟的瞬时估计，群延迟可在±13 µm范围内恢复。
• 相位延迟估计的RMS误差为49 nm（在±3 µm内），满足未来空间任务在740 nm波长下59 nm的要求。
• 观测到4.74 rad的偏振相关仪器相位偏移，需对每种偏振态分别进行校准。
• 由于光强注入不均，可见度估计表现出噪声振荡信号，该问题通过后处理算法得到缓解。
• 由于输出端口更少，该芯片在单位像素上表现出高信噪比，特别适用于光子匮乏、紧凑的系统（如基于立方星的干涉仪）。