Achromatic phase shifter in nulling interferometry for exoplanet detection

Abstract

Nulling interferometry is a recent technology in exoplanet detection and has enormous potential for future discoveries. Only achieved in terrestrial telescopes, its implementation in space could give rise to a new momentum in exoplanet science. The main figure of merit of the nulling interferometer is the nulling ratio, which describes the intensity ratio between the bright and dark fringes.. Clear measurements imply a ratio greater than the radiance ratio between the star and the planet (typically in the order of 10 000).

The nulling ratio is deeply impacted by the phase shifter. In the context of implementing this technique within a new observation satellite, the different phase shifter concepts must be updated and carefully selected. This work is part of this approach.

Various existing concepts are compared before selecting the most promising candidates: dispersive prisms, Fresnel rhombs, and integrated optics. These three systems are investigated and simulated to obtain their performance. Several constraints such as size, scientific requirements, or manufacturing considerations are taken into account. The different mission sizes considered define four spectral bands across which the phase shifter must be tested: [0.3 - 0.7], [0.9 - 2.1], [1.5 - 3.5], [2.6 - 6.4] microns.

For the smallest mission sizes, wedge prisms and Fresnel rhombs seemed unsuitable for the size requirement. For larger missions, the wider spectral band implies long propagation in a medium such that the intrinsic material dispersion seems to become problematic. Those two concepts were, therefore, quickly discarded because of room considerations and spectral bandwidth, and considering the advantages offered by integrated optics.

Considering the integrated optics, an algorithm based on a mode solver for dielectric rectangular waveguide was computed. A polynomial fit of the effective index difference between waveguides of different widths allowed to define a matrix system. Solving this system provides the length of the elements resulting in the desired phase shift as achromatic as possible. Integrated phase shifters in silica of fewer than four centimetres could provide the required rejection ratio for the two first spectral bands. For the two larger bands, the integrated optics do not meet the requirement within a technically acceptable size. The mirror approach seems the most promising concept for those spectral bands because of the intrinsic achromaticity of metallic reflections.

L'interférométrie de nulling est une technologie récente avec un potentiel énorme pour de futures découvertes. Seulement implémentée dans des téléscopes terrestres, sa mise en place sur des satellites pourrait donner naissance à un nouvel essor dans la science des exoplanètes. La principale figure de mérite de l'interféromètre de nulling est son quotient d'annulation qui décrit le rapport d'intensité entre les franges constructrives et destructrives. Des mesures claires nécessitent un quotient supérieur au rapport de radiance entre l'étoile et la planète (typiquement de l'ordre de 10 000).

Le quotient de nulling dépend fortement du déphaseur. Cet élément est responsable du déphasage entre les champs collectés, qui est d'une importance capitale dans l'annulation, et doit montrer stabilité temporelle et achromaticité spectrale. Dans le contexte de l'implémentation de cette technique dans un nouveau satellite d'observation, les différents concepts de déphaseur doivent être revus et sélectionnés soigneusement. Ce travail s'inscrit dans cette approche.

Différents concepts existants sont comparés avant de sélectionner les candidats les plus prometteurs : les prismes dispersifs, les rhomboèdres de Fresnel, et l'optique intégrée. Ces trois systèmes sont étudiés et simulés dans le but d'obtenir et de comparer leurs performances. Plusieurs contraintes sont prises en compte comme la taille, les spécifications scientifiques, ou les considérations de fabrication. Les différentes tailles de mission considérées définissent quatre bandes spectrales sur lesquelles le déphaseur doit être testé : [0.3 - 0.7], [0.9 - 2.1], [1.5 - 3.5], [2.6 - 6.4] microns.

Comme les prismes dispersifs et rhombs de Fresnel impliquent une longue propagation dans un milieu, la dispersion intrinsèque du matériau est problématique étant donné les largeurs spectrales considérées. Ces deux concepts ont été rapidement abandonnés de par leur encombrement et les largeurs spectrales, et au vu des avantages proposés par l'optique intégrée.

Concernant l'optique intégrée, un algorithme basé sur un solveur de mode pour des guides d'onde rectangulaires diélecriques a été programmé. Un fit polynomial sur la différence d'indice effectif entre des guides d'onde d'épaisseur différente permit de définir un système matriciel. Sa résolution calcule la longueur des éléments nécessaires pour le phase shift visé aussi achromatique que possible. Des déphaseurs intégrés en silice de moins de quatre centimètres pourrait générer le quotient d'annulation pour les deux premières bandes spectrales. Pour les deux suivantes, l'optique intégrée ne satisfait pas les spécifications en restant de taille techniquement réalisable. L'approche des miroirs semble le concept le plus intéressant pour ces bandes spectrales grâce à l'achromaticité intrinsèque des réflections métalliques.