光子芯片降低了寻找系外行星的成本

Teseract

詹姆斯·韦伯太空望远镜的主镜直径为6.5米，比地球上发射的任何望远镜都能捕获更多的光线（https://spectrum.ieee.org/james-webb-telescope-optics）。但并不是每个天文学家都能够有100亿美元的预算用在太空望远镜上。因此，为了帮助降低天基天文学的成本，渥太华加拿大国家研究委员会的研究人员正在研究一种在微型光学芯片上处理星光的方法。光子研究员Ross Cheriton和他的学生用一种新型光子芯片建造并测试了一个立方体卫星原型。目标是利用大量低成本航天器降低天文科学的进入门槛。

Cheriton说：“我们希望使小型太空望远镜能够使用高度紧凑的芯片仪器进行大型科学研究。”Cheriton也是渥太华量子和纳米技术研究中心的成员。

光子集成电路（PIC）使用光而不是电来处理信息，它们在数据中心周围广泛使用数万亿比特（https://spectrum.ieee.org/optical-interconnects）。但直到最近，天文学家才开始研究如何利用它们来突破宇宙知识的界限。

地面望远镜受到地球大气层的困扰，湍流会模糊入射光，使其难以聚焦到相机芯片上。在外太空，望远镜可以在不校正湍流影响的情况下，在不可见波长下观察极其微弱的物体。这就是Cheriton大胆采用PIC过滤器的目的，该过滤器在称为凌日的系外行星“日食”期间检测非常微妙的气体特征。

将光子芯片放入太空的主要动机是减小组件的尺寸、重量和成本，因为它可以在半导体代工厂批量生产。Cheriton说：“梦想是一种纯粹的基于光纤和芯片的仪器，没有其他光学元件。” 与普通光学部件相比，用芯片代替滤光片、透镜和镜子也可以提高稳定性和可扩展性。

CubeSats（https://spectrum.ieee.org/cubesat）——廉价、小型和标准化的卫星——已被证明是部署小型仪器有效载荷的一种经济高效的方法。Cheriton说：“PIC的紧凑特性与CubeSats研究詹姆斯·韦伯的明亮系外行星系统完美匹配。”

与韦伯的100亿美元相比，该项目的总任务成本不到100万美元（https://www.nbcnews.com/think/opinion/james-webb-space-telescope-cost-nasa-billions-pictures-are-rcna38813），最终的CubeSats任务可能会在等待行星穿过视野的同时盯着一颗恒星看几天到几周。然后，它将寻找恒星光谱的细微变化，这些变化与行星大气吸收光的方式有关，这是生物来源气体的明显证据。

更小的光谱学

作为概念验证，Cheriton指导了一个本科生团队，他们花了八个月的时间将PIC设计并集成到定制的3U CubeSat（10厘米x 10厘米x 30厘米）平台中（https://sites.google.com/view/capstoneteseract/home?authuser=0）。他们的氮化硅光子电路传感器证明了自己能够检测入射光中二氧化碳的吸收特征。

在他们的设计中，进入CubeSats准直透镜的光被聚焦到光纤中，然后被推到光子芯片上。它进入一组蚀刻的波导，其中包括一个环形谐振器。在这里，具有一组特定波长的光在环的多次行程中逐渐增强强度，然后被输出到探测器。因为只有少数波长会产生相长干涉——那些被选择来匹配气体吸收光谱的波长——所以这个环就像一个梳状滤波器。光穿过环形谐振器后，来自波导的信号被传递到输出光纤，并被传输到连接到Raspberry Pi计算机的相机上进行处理。因此，单个像素的强度可以作为气体存在的读数。

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因为它是在芯片上构建的，所以传感器可以多路复用，用于观察多个物体或同时感测不同的气体。此外，Cheriton说，所有落在单个像素上的光意味着信号比传统光谱仪更敏感。此外，该技术不是在全光谱中寻找峰值，而是寻找吸收光谱与特定气体的吸收光谱的匹配程度，这是一个更有效的过程。

对于太空光子CubeSat来说，太空旅行还有很长的路要走。当前的设计没有使用空间限定的组件。但Cheriton的学生在实验室中测试了红光（635纳米）和气室中的二氧化碳。他们使用“地面站”计算机传输所有命令并接收所有结果，并监测光伏发电，从CubeSat上的飞行控制传感器收集数据。

接下来，该团队计划测试他们的传感器是否可以用氮化硅芯片检测氧气，这种材料因其对气体760nm波长的透明度而被选中。成功将使他们能够很好地满足Cheriton所说的天文学家的下一个巨大里程碑：寻找一颗有氧的类地行星。

该研究于7月在Optica（前身为美国光学学会）高级光子学会议上发表（https://www.optica.org/events/congress/advanced_photonics_congress/）。