从天文光子学研究现状中，我们可以展望什么？

1 引言

近期,我国天文学家正在考虑对LAMOST进行升级改造,改造后单次光谱采集数目预计达到8000–20000,将使我国在大规模光谱巡天方面继续保持世界领先水平。

这种大规模光谱巡天装置对几千个目标同时进行光谱观测,一般需要大量光谱仪器:目前LAMOST配备光谱仪16台，而升级改造之后,配备的光谱仪数目预计将提高到30台以上。天文光谱仪的大尺寸及高造价对大规模光谱巡天项目的发展在实现成本及难度上均带来巨大挑战。研发小尺寸、低成本、高性能天文光谱仪对以LAMOST为代表的大规模光谱巡天项目至关重要。

空间观测因在应对大气湍流、光吸收、大气辐射等方面的独特优势受到天文学家的青睐。中国空间天文与西方发达国家相比还存在差距,但近年来发展迅速。在高能波段已有一些性能优异的空间观测设备,如暗物质粒子探测卫星“悟空”(DArk Matter Particle Explorer,DAMPE)、硬X射线调制望远镜“慧眼”(Hard X-ray Modulation Telescope,HXMT)、伽马暴偏振探测仪“天极”(POLAR)等。

另有众多各波段的空间观测设备在建造或计划中,如中国巡天空间望远镜(Chinese Space Station Telescope,CSST)、先进天基太阳天文台(Advanced Space-based Solar Observatory,ASO-S)等。

与地基观测仪器不同,空间仪器要求严苛,一般会面临以下3个方面问题:

1)由于工作在恶劣的空间物理环境,应尽量避免设计非常复杂的仪器;

2)由于仪器在远离设计团队的地方工作,其设计、制造、测试、校准、发射和操作必须精益求精,以获得保证任务成功的工作性能;

3)设计和制造必须以受限范围非常严格的资源(如质量、能耗、体积等)来达到性能要求。这些问题在一定程度上束缚了空间观测仪器的类型及科学产出。如何设计小质量、低能耗、小体积、高性能的新一代仪器,对空间天文意义重大。

为应对上述问题,光子学(Photonics)及新一代光子技术(Photonic Technology)有潜力提供合适的解决方案。光子学这一概念是参考电子学(Electronics)提出来的,其主要研究以光子(Photon)为信息和能量载体的科学及应用,包括光的产生、发射传输、调节、信号处理、切换、放大及传感等,目前在量子科学、信息技术、生物医学等众多领域均有深度应用。

近年来,集成光子学(Integrated Photonics)及技术的发展,更是将光子学及光子技术推向了光学研究的最前沿,正在逐步影响到几乎所有与光学相关的研究方向。集成光子学,也被称为集成光学(Integrated Optics),于1960年由美国贝尔实验室Miller首次提出,当时定义为“在光电子学和微电子学基础上,采用集成方法研究和发展光学器件和混合光学电子学器件的一门系统学科”。

经过这些年发展,特别是近年来在光通信等巨大产业需求的推动下,集成光子学不论是在原理、技术方面,还是在器件及工艺等方面均日趋成熟。就当前而言,光子学涉及到的基本光学过程及功能,集成光子学均能实现,而且能将这些功能模块或器件集成在一层基底上,形成类似于电子芯片一样的“光子芯片”。

近年来,光子学技术/器件的天文应用被逐渐发展成为一个崭新的交叉学科—天文光子学(Astrophotonics)。“Astrophotonics”这个名词于2009年左右由Bland-Hawthorn等人首先提出,定义为“天文和光子学的交叉学科”,而后,其定义逐渐明确、细化,经历“光子学和天文仪器的交叉”、“将功能强大的光子技术用于单个或多个望远镜所收集的光的导光、操控及色散,以低成本、高效率实现天文学研究的科学目标”两个阶段。

实际上,光子技术的天文应用由来已久,如20世纪70年代,光纤及光电探测器CCD的实用极大地提高了天文观测效率及观测性能,20世纪80年代开始的自适应光学技术使得地面大口径望远镜成像质量逐渐接近衍射极限,而望远镜技术及天文光谱技术本身也属于光子技术范畴,这使得光子技术天文应用的历史更为久远。

然而,若从天文光子学提出的时间节点及其研究的主要内容和手段来看,其一般应指的是“集成光子技术及器件在天文观测中的应用”。即便这样,天文光子学研究也早在“Astrophotonics”这个名词提出之前便已经存在,这在下一章节会有所介绍。天文光子学发展至今,研究内容已十分广泛。据2019年Gatkine等在天文光子学白皮书(Astro2020 State of the Profession:Astrophotonics White Paper)中总结,天文光子学研究涉及光子灯笼(Photonic Laterns)、布拉格光栅(Bragg Gratings)、光瞳重排器(Pupil Remappers)、光束合束器/干涉仪(Beam Combiners/Interferometers)、光子光谱仪(Photonic Spectrographs)、光子光梳(Photonic Combs)等大量集成光子技术及器件的研究。

2 天文光子学的挑战与展望

上面已回顾天文光子学近年来的主要研究情况。可以看出,集成光子技术及器件在天文光谱及望远镜成像观测中均有相关研究,部分已经得到实际应用。其集成度高、体积小、能耗低、造价低、易操控等优势使得天文光子器件及仪器相对传统天文光学仪器更适合未来天文观测的需求。但是,就目前而言,作为一个新兴学科,天文光子学还面临着一些挑战。

天文光子学面临的主要挑战

首先,天文观测对仪器的极端参数需求使现有集成光子技术面临挑战。由于天文观测手段有限,因此,对每种可能的手段都利用到了极致。如天文光谱观测需要高光谱分辨率(夜天文通常需达到5×104–10×104,而太阳观测可能需要50×104–100×104的分辨率)及高光谱对比度(至少大于30 d B),有时也需要极多目标同时观测(如大规模光谱巡天及积分视场光谱观测);而天文成像观测中基于消零干涉仪的高对比度成像一般也至少需要30 d B的成像对比度。

部分应用,如类太阳恒星周边的类地系外行星高对比度直接成像甚至需要70 d B以上的成像对比度。这些极致需求对现有的集成光子器件设计及加工均带来极大挑战。

如AWG芯片对于光通信领域的波分复用功能而言,只需要5000以内光谱分辨率及20 d B以内的光谱对比度,而实际加工出来的器件也通常为这种水平。但是,这种参数水平远远无法满足天文观测的实际需求。

而另一方面,用集成光子器件来实现类似于FASOT (Fiber Array Solar Optical Telescope)这种具备积分视场功能的光谱观测装置,几千个目标同时采集光谱在设计及加工方面还具有不小的挑战,暂时还未有研究去评估实现的可行性及后续的方案、设计制造周期及造价。就高对比度应用(包括光谱及成像)而言,波导中的模式失配以及缺陷和粗糙表面散射引入的杂散光影响巨大,这就要求针对天文应用的集成光子器件的设计及加工相对于其他应用领域有更高要求,需要做到更极致。

其次,现有集成光子器件大多为单模器件,这不适合目前地面天文观测,无法有效规避大气湍流影响而不得不使用多模器件的现实情况,带来的直接问题是单模天文光子器件光效率较低,这个问题对于大望远镜孔径和短波长观测尤其严重。面对此问题,光子灯笼能提供部分解决方案,如现有研究结果显示已能实现几十个模式的高效转换,但面对目前天文观测通常使用100μm光纤传光而引入的上千个模式的情况,光子灯笼目前还有些乏力。

性能优异的自适应光学系统也能解决部分问题,如在红外波段能获得近衍射极限成像,基本解决单模光子器件光耦合问题,但对于自适应光学系统工作状况不佳的波段,如可见光波段,将不得不面临光耦合效率低的问题。为了拓宽集成光子器件在天文应用范围,基于多模光子器件来发展天文观测仪器可能将是不得不面临的问题。

上面所述只是天文光子学现有研究阶段所显现的问题和挑战,随着研究深入,将会有更多挑战需要天文领域来解决,部分可以依靠集成光子学本身的发展来解决,但还有很多问题需要天文领域自身来解决,尤其是那些其他领域并不涉及的问题。天文领域对观测仪器的极端参数需求使得后面这一类挑战将占据更重要位置。

2 小结

首先,从天文观测需求而言,如本文§2天文光子学发展现状所述,光谱色散、滤波、波长定标源、波前探测、光分束/合束及干涉、模式转换等天文观测中的常用功能已能使用集成光子器件来实现,但是,除了少部分器件(如集成光分束合束器),绝大多数器件的分辨率、精度、对比度等主要参数还并未达到相应的常规天文观测仪器水平及观测需求,如光谱色散芯片目前色散能力还普遍停留在104以内,集成光子光梳目前光谱覆盖范围、谱线均匀性、谱线稳定性暂时还不如常规天文光梳。

因此,在未来较长时期内,天文光子学研究还将聚焦单一功能天文光子器件研究,可优化已有集成光子器件设计及制造水平来提高参数,也可以提出新原理新器件来获取更高性能参数。

可以预期的是,未来10 yr内,光谱芯片、定标源芯片将会继集成光分束合束器之后在天文实测中得到使用,波前探测芯片等会在天文试观测中得到更进一步研究,而更多还未实现的天文光子器件将得到研究及展示,如基于集成光子技术的积分视场单元及波前矫正器件等。

其次,从实现手段而言,目前的天文光子器件几乎均基于光波导器件。光波导尺寸一般为微米量级,其设计及制造成熟度高,大部分情况下可直接借用产业常用的硅基工艺。而激光直写加工由于低成本及可实现三维结构排布也是重要制造手段,但其加工精度一般不会优于1μm,这阻碍了其在高精度结构加工中的应用。

因此,在激光直写加工精度提高到100 nm量级以前,光刻工艺还将是主流。常规硅基光刻工艺大多面向光通信需求,其工作波段一般在1.5μm附近,所以,现有天文光子器件大部分也工作在这个波段。

但是,这并不能充分满足天文观测的需求,而需求必然会对技术带来推动,可以预期,可见波段及更长波红外的天文光子技术及器件研究会在未来占据较重要位置。

同时,天文观测对仪器参数的极端需求会对光波导器件的设计及制造提出新要求,这中间涉及的更高工艺水平器件制造研究对天文光子学发展将起到至关重要作用,也将影响到其他研究领域。

另一方面,光子晶体等纳米结构在集成度等方面展示出的优势,将使得未来基于纳米结构的天文光子技术及器件研究在天文光子学研究中占据一席之地。

所谓多功能集成,即将更多观测功能集成在同一芯片内,尽量减少光的空间传输及可移动部件,将仪器的紧凑性、稳定性做到极致,真正充分利用集成光子学的优点。在这方面,可以预期,未来的天文终端仪器尺寸可能只需要1 dm3尺寸甚至～100 cm3量级,这时,天文光子学才真正展现出它的威力。

目前研究的天文光子器件一般为二维光子芯片(平面波导器件),这还无法满足积分视场光谱观测及大规模光谱巡天等有大规模集成需求的应用,未来基于三维架构来设计及制造复杂天文观测仪器无疑是天文光子学发展的必要部分。另一方面,对于天文观测仪器而言,一般涉及到光学、机械及电子学3部分。

而光机电集成则是在集成光子学的基础上,结合Micro-ElectroMechanical System (MEMS)技术实现光机电一体化集成,做到真正仪器小型化。建立在这“三个集成”基础上的未来的天文观测终端仪器将从根本上解决现有仪器大尺寸、高造价、难操控运维的问题,使得各种极端环境、极端参数下的天文观测都将成为可能。

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