[论文解读] 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 3

一句话总结

本文展示了ALSI项目4年来的研究成果，证明了在GaLaS和ZBLAN玻璃中通过超快激光直写技术制备的中红外集成光学器件具有低传播损耗，其在四台望远镜光束组合器中实现了60%的总透过率。该研究证实了在L、L′和M波段实现高对比度、全谱段干涉测量的可行性，色散低于0.35 μm⁻¹，仪器对比度最高可达90%。

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.

研究动机与目标

• 评估超快激光直写（ULI）技术在制造与真实天文干涉仪兼容的中红外集成光学器件方面的可行性。
• 在GaLaS和ZBLAN玻璃中开发适用于L、L′和M波段的低损耗波导，以支持长基线干涉测量。
• 展示一种适用于实际观测的四台望远镜光束组合器，具备高透过率和低色散特性。
• 评估仪器对比度、传播损耗和光谱稳定性等性能指标，为未来干涉测量仪器提供参考。
• 制定路线图，推动中红外集成光学技术向Hi5和PFI等仪器的实际应用发展。

提出的方法

• 采用超快激光直写（ULI）技术在GaLaS和ZBLAN玻璃中制备了具有核心/包层折射率差的通道波导，实现单模传输。
• 对波导的传播损耗进行了表征，实测结果表明损耗水平适中，适用于天文应用。
• 利用方向耦合器和波导布线构建了四台望远镜光束组合器（DBC），将四台望远镜的光信号合并为23个输出端口。
• 通过中心波长为3.8 μm、带宽300 nm的多色光干涉测试，评估了白光干涉条纹的对比度和光谱稳定性。
• 采用傅里叶变换光谱仪（FTS）测量了DBC在100 nm带宽内的分束比，量化了色散特性。
• 通过分别向四个输入端口注入光信号并累加总输出功率，测量了整体效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 超快激光直写能否制备出传播损耗足够低、适用于实际天文干涉观测的中红外集成光学器件？
• RQ2 DBC架构在全谱段多色光下，能否保持高仪器对比度和低色散特性？
• RQ3 通过ULI技术在GaLaS和ZBLAN玻璃中制备的四台望远镜光束组合器的总透过率是多少？
• RQ4 该光束组合器的色散特性与Gravity望远镜的光纤组合器等现有近红外解决方案相比如何？
• RQ5 DBC架构能否扩展至六台望远镜，同时保持高效率和低损耗？

主要发现

• GaLaS和ZBLAN波导的传播损耗处于适中水平，表明其在天文干涉测量中具备可行性。
• 四台望远镜光束组合器（DBC）在向四个输入端口分别注入光信号时，总透过率最高达到60%，显示出其在实际观测中的强大潜力。
• 白光干涉条纹中测得的仪器对比度为40%至90%，其中中央基线（波导#10和#14）的对比度最高。
• DBC分束比的色散在100 nm带宽内低于0.35 μm⁻¹，接近当前最先进的近红外器件性能。
• DBC设计仅使用通道波导，避免了弯曲损耗，相较于具有复杂布线的架构具有潜在优势。
• 尽管部分基线因信噪比低而限制了全可见度和相位的精确提取，但结果表明DBC是实现高透过率、全谱段中红外干涉测量的可行路径。