Development of integrated optics for visible light diffraction limited imaging

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K18638
• Research Institution: Center for Novel Science Initatives, National Institutes of Natural Sciences
• Principal Investigator: 小谷 隆行 大学共同利用機関法人自然科学研究機構(新分野創成センター、アストロバイオロジーセンター、生命創成探究, アストロバイオロジーセンター, 助教 (40554291)
• Project Period (FY): 2021-07-09 – 2023-03-31
• Keywords: 光干渉計 / 回折限界 / 導波路

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、大気乱れの影響をなくし、高コントラストの可視回折限界イメージングを可能にする、光導波路回路の開発が目的である。これはシリコン基盤上に、半導体パターン転写技術によって微細な光の通り道（導波路）を作製するもので、複雑な光干渉光学系を容易に実現できるうえ、可動部や調整機構が全くないため極めて安定である。このような導波路回路は、光通信用に近赤外線では広く用いられているが、可視光領域での利用はあまりされていなかった。また天文用途では高い効率と、広い波長範囲が必要である一方、通信用途ではこれらはあまり重要視されていないため、天文用に最適化された回路の実現が必要である。
初年度は、基本的な導波路回路特性を知るために様々なパラメーターで分岐・結合回路、導波路の幅、厚み、交差回路、曲率を持った導波路回路といった基本的な回路を作成し、それらの透過率・分岐・結合の波長依存性、偏光特性、クロストークを測定した。その結果、最終目標である5分岐20出力回路の製作には、初年度に開発した分岐・結合回路は、特に損失と波長依存性において十分な性能が得られないことと、現在の設計では天体のvisibilityを測定するには位相変調が必要であり、大気揺らぎの影響を受けやすいことがわかった。そのため最終年度では、5分岐20出力回路製作は行わず、これらの問題を解決できる、新しい位相シフターを内蔵した分岐結合回路である多モード干渉導波路MMI（Multi-Mode Interferometer）の開発を行った。様々な導波路パラメーターの回路を製作した中で、最も特性が優れたものは損失10%程度で比較的広い帯域を実現できることがわかった。また分岐比は50+/-10%、偏光の消光比は6%程度であった。これらの一部はより性能向上が必要ではあるが、5分岐20出力回路の実現に向けて基本的な回路は準備ができたと考えている。