First demonstration of a multimode-to-multimode photonic lantern for astronomy

망원경은 인류의 위대한 눈으로서, 우리가 우주의 가장 깊은 구석까지 들여다볼 수 있게 해줍니다. 가장 희미하고 먼 천체를 관측하기 위해, 천문학자들은 오랫동안 점점 더 큰 거울을 가진 장치를 만들기 위해 노력해 왔습니다. 그러나 단일한 거대한 거울을 제작하는 것은 매우 어렵고 비용이 많이 드는 일입니다. 더 유연한 접근 방식은 여러 개의 작고 분리된 거울로부터 오는 빛을 하나의 강력한 빔으로 결합하는 모듈형 망원경을 구축하는 것입니다. 과제는 그 빛을 어떻게 모으고, 손실 없이 하나로 합치느냐에 있습니다. 과거에 과학자들은 이 커다하고 흐릿한 시야로부터 나오는 빛을 매우 가는 단일 모드 광섬유로 밀어 넣으려 시도하곤 했으나, 지구 대기의 난류가 빛을 너무 심하게 뒤섞어 놓기 때문에 값비싼 보정 시스템 없이는 빛이 그 좁은 통로에 들어갈 수 없었습니다. 더 새로운 아이디어는 광자 랜턴(photonic lantern)이라 불리는 장치를 사용하는 것인데, 이는 빛의 교통 정리 요원처럼 작동하여 여러 경로에서 오는 빛을 하나의 경로로 매끄럽게 안내합니다. 이러한 장치들은 빛을 여러 경로로 나누는 데 사용되어 왔지만, 천문학을 위해 여러 개의 빛 빔을 하나의 더 큰 빔으로 결합하는 데 성공적으로 사용된 적은 지금까지 없었습니다.

연구팀은 이제 여러 개의 큰 광섬유로부터 오는 빛을 하나로 결합하도록 특별히 설계된 멀티모드-투-멀티모드(multimode-to-multimode) 광자 랜턴의 첫 번째 작동 버전을 입증했습니다. 이 장치는 빛을 작고 제한적인 통로로 강제로 밀어 넣는 대신, 일곱 개의 별도 입력 광섬유로부터 오는 빛을 받아 하나의 더 큰 출력 도파로로 융합합니다. 연구팀은 일곱 개의 광섬유를 서서히 가늘어지게 하여 하나의 단단한 구조로 녹여내는 공정을 사용하여 이 장치들을 제작했습니다. 연구팀은 다양한 색상의 빛을 이 장치에 통과시켜 보며, 빛이 입구에서 출구까지 얼마나 잘 전달되는지를 측정하며 테스트했습니다. 결과는 놀라웠습니다. 이 장치들은 90% 이상의 빛을 손실 없이 통과시켰습니다. 이 높은 효율은 빛이 새로운 결합 구조 내에서 매끄럽게 이동하며, 밖으로 새어 나가지 않고 구조 안에 잘 갇혀 있음을 증명합니다.

연구진은 스페인 칼라 알토 천문대에서 현재 운영 중인 프로젝트인 MARCOT-Pathfinder 망원경을 지원하기 위해 이 랜턴들을 제작했습니다. 이 망원경은 하늘로부터 빛을 모으는 일곱 개의 개별 튜브로 구성되어 있습니다. 시스템이 효과적으로 작동하려면 이 일곱 개의 튜브에서 오는 빛을 하나의 흐름으로 병합하여 고해료 분광기에 공급할 방법이 필요했습니다. 연구팀은 대기 난류에 의한 일반적인 흐림 현상 크기의 약 두 배 정도인 25 마이크로미터 코어 직경을 가진 입력 광섬유를 선택했는데, 이는 하늘의 넓은 시야를 포착하기 위한 크기입니다. 그들은 이 일곱 개의 광섬유를 하나의 50 마이크로미터 코어 직경을 가진 출력 광섬유로 융합했습니다. 각 광섬유가 운반할 수 있는 빛의 경로, 즉 모드(mode)의 수를 정밀하게 계산함으로써, 연구팀은 출력 광섬피가 일곱 개의 입력으로부터 오는 모든 빛을 강제로 밀어내지 않고 담을 수 있을 만큼 충분히 크도록 보장했습니다.

설계가 제대로 작동하는지 확인하기 위해, 연구팀은 520 나노미터의 녹색광과 685 나노미터의 적색광을 포함한 다양한 파장에서 네 가지 서로 다른 랜턴의 성능을 측정했습니다. 그들은 결과의 정확성을 보장하기 위해 두 가지 다른 테스트 방법을 사용했습니다. 한 가지 방법은 랜턴을 다른 광섬유와 접합하기 전후의 빛을 측정하는 것이었고, 다른 한 가지는 출력을 참조 모델과 직접 비교하는 것이었습니다. 모든 테스트에 걸쳐 랜턴은 일관되게 90% 이상의 효율을 보여주었습니다. 유일한 예외는 제조 공정이 아직 완전히 정교해지지 않았던 첫 번째 장치의 두 특정 포트였으나, 이 경우에도 성능은 견고하게 유지되었습니다. 연구팀은 또한 장치를 빠져나오는 빛이 뚜렷한 꽃 모양을 형성하는 것을 관찰했으며, 이는 일곱 개의 별도 코어가 성공적으로 하나의 응집된 안내 영역으로 합쳐졌음을 확인시켜 줍니다.

이러한 성공은 모듈형 망원경 개념에 있어 중요한 진전을 의미합니다. 여러 개의 큰 광섬유로부터 오는 빛을 하나의 큰 광섬유로 손실 없이 결합할 수 있음을 입증함으로써, 연구진은 규모 확장 가능하고 비용 효율적인 망원경을 만드는 데 있어 주요한 장벽을 제거했습니다. 그들의 연구는 이러한 시스템이 빛이 장비에 들어오기 전 대기의 흐림 현상을 보정하기 위한 복잡하고 값비싼 장비를 필요로 하지 않는다는 것을 보여줍니다. 대신, 랜턴 자체가 빛의 결합을 효율적으로 처리하여 수집된 총 광량을 보존합니다. 연구팀은 향로 작업이 제조 공정을 더욱 일관되게 만들고 장치를 천문대의 가혹한 환경에 맞게 패키징하는 것에 집중할 것이라고 언급했지만, 현재의 결과는 이 기술이 차세대 거대 모듈형 하늘의 눈을 만드는 데 도움을 줄 준비가 되었음을 확인시켜 줍니다.