Met een diameter van 6,5 meter vangt de hoofdspiegel van de James Webb-ruimtetelescoop meer licht op dan welke telescoop dan ook die ooit vanaf de aarde is gelanceerd. Maar niet elke astronoom heeft 10 miljard dollar te besteden aan een ruimtetelescoop. Om de kosten van de ruimteastronomie te helpen verlagen, werken onderzoekers van de Canadese National Research Council in Ottawa aan een manier om sterlicht op een kleine optische chip te verwerken. Ross Cheriton, een fotonica-onderzoeker daar, en zijn studenten bouwden en testten een CubeSat-prototype met een nieuw type fotonische chip. Het doel is om de toetredingsdrempel in de astronomische wetenschap te verlagen door gebruik te maken van zwermen goedkopere ruimtevaartuigen.
‘We hopen kleinere ruimtetelescopen in staat te stellen grote wetenschap te doen met behulp van zeer compacte instrumenten op chips’, zegt Cheriton, die ook verbonden is aan het Center for Quantum and Nanotechnology Research in Ottawa.
Fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC’s) gebruiken licht in plaats van elektriciteit om informatie te verwerken en worden veel gebruikt het verspreiden van biljoenen en biljoenen bits rond datacenters. Maar pas onlangs zijn astronomen begonnen te onderzoeken hoe ze deze kunnen gebruiken om de grenzen te verleggen van wat er over het universum te leren valt.
Op aarde gestationeerde telescopen worden belast door de atmosfeer van de aarde, waar turbulentie het binnenkomende licht vertroebelt, waardoor het moeilijk wordt om het scherp te stellen op de camerachip. In de ruimte kunnen telescopen naar extreem zwakke objecten op onzichtbare golflengten kijken zonder de effecten van turbulentie te corrigeren. Dat is waar Cheriton zich sterk wil maken met een PIC-filter dat zeer subtiele gassignaturen detecteert tijdens een exoplaneet-eclips die een transit wordt genoemd.
De belangrijkste motivatie om fotonische chips in de ruimte te plaatsen is het verminderen van de omvang, het gewicht en de kosten van de componenten, aangezien ze in een halfgeleidergieterij in massa kunnen worden geproduceerd. “De droom is een instrument dat uitsluitend is gebaseerd op vezels en chips zonder andere optica”, zegt Cheriton. Het vervangen van filters, lenzen en spiegels door een chip verbetert ook de stabiliteit en schaalbaarheid vergeleken met gewone optische onderdelen.
CubeSats – goedkope, kleine en gestandaardiseerde satellieten – hebben bewezen een kosteneffectieve manier te zijn om kleine hoeveelheden instrumenten in te zetten. ‘Het compacte karakter van de PIC leent zich perfect voor CubeSats voor het bestuderen van heldere exoplaneetsystemen waar James Webb geen tijd heeft om naar te staren’, zegt Cheriton.
Voor een totale missiekosten van minder dan 1 miljoen dollar (vergeleken met Webb’s 10 miljard dollar) zou een mogelijke CubeSat-missie dagen tot weken naar een ster kunnen staren terwijl deze wacht tot een planeet zijn gezichtsveld passeert. Vervolgens zou het zoeken naar kleine veranderingen in het spectrum van de ster die verband houden met de manier waarop de atmosfeer van de planeet licht absorbeert – veelbetekenend bewijs voor gassen van biologische oorsprong.
Kleine spectroscopie
Als proof of concept leidde Cheriton een team studenten dat acht maanden besteedde aan het ontwerpen en integreren van de PIC in een aangepast 3U CubeSat-platform (10 cm x 10 cm x 30 cm). Hun siliciumnitride fotonische circuitsensor bleek in staat absorptiesignaturen van CO te detecteren2 in het binnenkomende licht.
In hun ontwerp wordt het licht dat de collimerende lens van de CubeSat binnenkomt, gebundeld in een vezel en vervolgens naar een fotonische chip geduwd. Het komt een geëtste golfgeleiderset binnen die een ringresonator bevat. Hier neemt licht met een specifieke reeks golflengten in intensiteit toe tijdens meerdere reizen rond de ring en wordt vervolgens naar een detector gestuurd. Omdat slechts een paar geselecteerde golflengten constructief interfereren (de golflengten die zijn gekozen om overeen te komen met het absorptiespectrum van het gas) dient de ring als een kamachtig filter. Nadat het licht door de ringresonator is gegaan, gaat het signaal van de golfgeleider naar de uitgangsvezel en naar een camera die op een Raspberry Pi-computer is aangesloten voor verwerking. De intensiteit van een enkele pixel dient dus als uitlezing van de aanwezigheid van gas.
Licht reist door een golfgeleider op een fotonisch geïntegreerd circuit.Tesseract
Omdat de sensor op een chip is gebouwd, kan deze worden gemultiplext om meerdere objecten te observeren of tegelijkertijd verschillende gassen te detecteren. Bovendien betekent al het licht dat op één pixel valt, dat het signaal gevoeliger is dan een traditionele spectrometer, zegt Cheriton. Bovendien zoekt de technologie niet naar pieken in het volledige spectrum, maar naar hoe goed het absorptiespectrum overeenkomt met dat van een bepaald gas, een efficiënter proces. “Als iets zich in de ruimte bevindt, wil je geen gigabytes aan data naar huis sturen als dat niet nodig is”, zegt hij.
Ruimtevaart is nog ver weg voor de astrofotonische CubeSat. Het huidige ontwerp maakt geen gebruik van componenten die geschikt zijn voor de ruimte. Maar de studenten van Cheriton testten het in het laboratorium met rood licht (635 nm) en CO2 in een gascel. Ze gebruikten een ‘grondstation’-computer om alle commando’s te verzenden en alle resultaten te ontvangen – en om de fotospanning te monitoren en gegevens te verzamelen van de vluchtcontrolesensoren op hun CubeSat.
Vervolgens wil het team testen of hun sensor zuurstof kan detecteren met behulp van een siliciumnitridechip, een materiaal dat is gekozen vanwege zijn transparantie bij de gasgolflengte van 760 nm. Succes zou hen in een goede positie brengen om te voldoen aan wat Cheriton de volgende grote mijlpaal voor astronomen noemt: de zoektocht naar een aarde-achtige planeet met zuurstof.
Het artikel werd gepresenteerd op de Optica (voorheen Optical Society of America) Advanced Photonics-conferentie in juli.
Uit artikelen op uw website
Gerelateerde artikelen op internet