Technologies and novel components for broadband splitting and coupling in pairwise and nulling interferometry

Het Kosmische Verstoppertje

Stel je voor dat je probeert het zachte gezoem van een piepkleine, fluisterende vuurvlieg te horen naast het verblindend heldere licht van een stadionlamp. Dat is de uitdaging waar astronomen voor staan wanneer ze planeten proberen te vinden die rond andere sterren draaien. De ster is de stadionlamp, en de planeet is de vuurvlieg. Omdat de ster zo ongelooflijk helder is, overstraalt het licht meestal de zwakke gloed van de planeet, waardoor het onmogelijk is om deze te zien. Om dit op te lossen, gebruiken wetenschappers een slimme truc genaamd "interferometrie". Denk aan het hebben van twee paren ogen die naar dezelfde scène kijken. Als je ze precies goed uitlijnt, kun je het licht van de heldere ster zichzelf laten uitdoven — net als een noise-cancelling koptelefoon voor licht — terwijl het licht van de planeet, dat vanuit een iets andere hoek komt, zichtbaar blijft.

Om dit te laten werken, moeten wetenschappers het licht dat van de telescoop komt splitsen en vervolgens met extreme precisie weer combineren. In het verleden gebruikten ze logge spiegels en lenzen, maar deze zijn zwaar en moeilijk perfect uit te lijnen. De nieuwe grens is "fotonische geïntegreerde circuits" (PIC's). Stel je voor dat je een hele optische laboratorium verkleint tot de grootte van een computerchip. In plaats van grote spiegels reist het licht door piepkleine kanaaltjes die in glas of silicium zijn uitgehouwen. Het doel is om deze chips zo te bouwen dat ze een breed scala aan kleuren (breedband) van licht kunnen verwerken zonder in de war te raken of het signaal te verliezen. Als we dit onder de knie krijgen, kunnen we eindelijk aardse werelden rond verre zonnen opsporen en controleren of ze de ingrediënten voor leven bevatten.

Het Verhaal van het Papier: Het Stemmen van de Kosmische Stemvorken

Dit artikel gaat over het bouwen van betere, veelzijdiger "stemvorken" voor deze lichtchips. De onderzoekers, een team van universiteiten en laboratoria uit Australië, de VS en Frankrijk, ontwerpen nieuwe componenten die licht kunnen splitsen en mengen over een breed spectrum van kleuren, specifiek voor het nabij-infrarode deel van het lichtspectrum (de J-band en H-band). Ze passen niet alleen oude ontwerpen aan; ze verzinnen nieuwe vormen voor de lichtkanalen om ze beter te laten werken.

Het team richtte zich op twee hoofdtypen "chips": één gemaakt van siliciumnitride (een hard, glasachtig materiaal) en een andere van siliciumoxide (eigenlijk hoogwaardig glas). Ze simuleerden hoe licht zich in deze materialen gedraagt om twee belangrijke uitvindingen te ontwerpen: getaperde tri-couplers en getaperde directionele couplers.

Denk aan een standaard lichtsplitter zoals een Y-splitsing, waar één weg zich in tweeën splitst. Het werkt, maar het is niet erg goed in het tegelijkertijd verwerken van verschillende kleuren licht, en het verliest vaak ook wat van het licht in het proces. De onderzoekers stelden in plaats daarvan een "getaperde tri-coupler" voor. Stel je een snelweg met drie rijstroken voor waarbij de twee buitenste rijstroken langzaam breder of smaller worden naarmate ze samenkomen met de middelste rijstrook. Door de vorm van deze rijstroken zorgvuldig aan te passen (tapering), kan het licht perfect worden gesplitst tussen de twee buitenste rijstroken, terwijl er bijna niets in de middelste rijstrook blijft hangen. In hun simulaties voor de siliciumnitride-chips verloren deze nieuwe splitters minder dan 1% van het licht over de gehele J-band (van 0,95 tot 1,8 micrometer). Dat is een enorme verbetering ten opzichte van oudere ontwerpen.

Voor de siliciumoxide-chips, die worden gebruikt voor de H-band (1,5 tot 1,8 micrometer), ontwierp het team een vergelijkbare getaperde tri-coupler met een specifieële superkracht: nulling. Dit is het "noise-cancelling"-gedeelte. Wanneer ze licht van een ster de twee buitenste rijstroken in sturen met een specifieke tijdsverschuiving (180 graden uit fase), heft het licht zichzelf op in de middelste rijstrook, waardoor een "null" ontstaat. Dit is hoe je de ster verbergt. Ze moeten echter ook ervoor zorgen dat het licht van een planeet (dat met een andere timing aankomt) niet wordt geannuleerd. Hun simulaties toonden aan dat hun geoptimaliseerde ontwerp het sterlicht kon verbergen terwijl het meer dan 97,8% van het licht van de planeet doorliet over de H-band. Dat is een enorme overwinning voor het opsporen van die zwakke vuurvliegjes.

Het papier introduceert ook een gloednieuw apparaat genaamd een Chromatically Controlled Achromatic Intensity Modulator (CCAIM). Dit is een beetje als een slimme dimmer voor licht. In een nulling-interferometer moet je de intensiteit van de lichtbundels perfect in evenwicht brengen om de beste annulering te krijgen. Meestal is dit moeilijk te doen omdat verschillende kleuren licht zich anders gedragen. De CCAIM gebruikt een verwarmingselement om de snelheid van het licht in een deel van de chip te veranderen, maar is gekoppeld aan een speciale getaperde coupler die de kleurverschillen compenseert. De simulaties suggereren dat dit apparaat de helderheid van de lichtbundels actief kan aanpassen zodat deze achromatisch is (hetzelfde werkt voor alle kleuren) over een bereik van 150 tot 300 nanometer. Hoewel dit momenteel slechts een simulatie is, suggereert het een manier om het systeem actief af te stemmen om diepere "nulls" (betere steronderdrukking) te krijgen zonder complexe externe apparatuur nodig te hebben.

De onderzoekers kijken ook vooruit naar het midden-infrarood, een gebied van licht waar planeten zelfs helderder gloeien. Ze suggereren dat hoewel siliciumchips minder goed werken bij deze langere golflengten, een materiaal genaamd chalcogenide glas (een mengsel van zwavel, selenium of tellurium) het stokje kan overnemen. Ze stellen een roadmap voor om soortgelijke getaperde couplers in dit nieuwe materiaal te bouwen, wat uiteindelijk kan helpen bij het detecteren van zuurstof of ozon op verre aardse planeten door ruimtetelescopen zoals de Habitable Worlds Observatory of het LIFE-project.

Het papier is echter voorzichtig in wat wel en niet bewezen is. De resultaten voor siliciumnitride zijn gebaseerd op simulaties, hoewel sommige voorlopige metingen aan de getaperde tri-couplers door collega's in Frankrijk veelbelovende resultaten lieten zien met verwaarloosbaar excessverlies. De resultaten voor de nulling van siliciumoxide zijn eveneens simulaties, en de auteurs waarschuwen dat fouten in de werkelijke fabricage (zoals een golfgeleider die iets breder of smaller is dan gepland) de prestaties kunnen beïnvloeden. Bijvoorbeeld, een kleine verschuiving in de breedte van de golfgeleider zou het verlies van planeetlicht van onder de 2,2% naar 4,5% kunnen verhogen aan het lange golflengte-uiteinde. De CCAIM is puur een proof-of-concept simulatie; de auteurs geven expliciet aan dat er verder werk nodig is om te zien of het zijn achromatische prestaties kan behouden over alle mogelijke instellingen.

Kortom, dit artikel beweert niet dat het de definitieve machine heeft gebouwd die morgen buitenaards leven zal vinden. In plaats daarvan biedt het de blauwdrukken en de "aha!"-momenten voor de volgende generatie componenten. Het laat zien dat door de vorm van de lichtkanalen te veranderen van eenvoudige rechte lijnen naar zorgvuldig getaperde curven, we chips kunnen bouwen die efficiënter zijn, meer kleuren kunnen verwerken en beter in staat zijn om sterren te verbergen om planeten te onthullen. Het is een stap naar het maken van de complexe, fragiele kunst van astronomische interferometrie tot iets robuusts, schaalbaars en klaar voor de volgende grote sprong in de ruimteverkenning.