Femtosecond laser writing of a broadband integrated nulling interferometer for exoplanet detection

The observation of exoplanets has gained an increasing interest in the recent years, since their study could provide information about their composition and habitability. However, the direct imaging of exoplanets is a challenging task, since the light they emit is much fainter than the one of their host stars. In this respect, nulling interferometry is a technique capable of removing the contaminating starlight by destructive interference, leaving only the exoplanet signal to be analyzed. This technique can take advantage of an integrated approach for achieving a higher interferometric stability and a miniaturization of the setup. However, integrated photonic devices usually show a response dependent both on the polarization and the wavelength of the incoming light, so they should be used together with filters and polarizers, further reducing the faint exoplanet signal.In this work we present the development of an integrated nulling interferometer with a behavior independent of polarization and wavelength of the injected light. The device was fabricated by Femtosecond Laser Micromachining in glass, followed by a thermal annealing process for reducing the waveguides losses and birefringence, thus achieving polarization insensitivity. The circuit is composed of a cascade of directional couplers, with reduced interaction length and distance for broadband operation, and was designed for performing the interference of the light collected by two telescopes. The characterization with classical light showed overall insertion losses of 2 dB, and a variation of the splitting ratio of the couplers < 2% depending on the input polarization and < 5% in the spectral range 1310 nm – 1610 nm. The fabrication of thermal phase shifters on top of the waveguides will allow a full control of the phase difference of the input beams, enabling the cancellation of the star signal.

L’osservazione di esopianeti ha riscosso un interesse crescente negli ultimi anni, dal momento che il loro studio può fornire informazioni sulla loro composizione e abitabilità. Tuttavia, l’osservazione diretta di esopianeti è un arduo compito, poiché la luce che emettono è molto più debole di quella della stella intorno a cui orbitano. In questo contesto, la nulling interferometry è una tecnica capace di rimuovere l’indesiderata luce stellare attraverso interferenza distruttiva, ottenendo come risultato il solo segnale del pianeta che può essere analizzato. Questa tecnica può avvalersi di un approccio integrato per raggiungere una più alta stabilità interferometrica e una miniaturizzazione della strumentazione. Tuttavia, i dispositivi ottici integrati solitamente mostrano una risposta dipendente sia dalla polarizzazione che dalla lunghezza d’onda della luce in ingresso, perciò dovrebbero essere utilizzati insieme a filtri e polarizzatori, riducendo ulteriormente il debole segnale planetario.In questo lavoro presentiamo lo sviluppo di un interferometro integrato capace di estinguere la luce stellare in modo indipendente dalla polarizzazione e dalla lunghezza d’onda della luce in ingresso. Il dispositivo è stato realizzato in un campione di vetro attraverso la microfabbricazione con laser a femtosecondi, seguita da un processo di rilassamento termico per ridurre le perdite delle guide e la birifrangenza, raggiungendo così l’insensibilità alla polarizzazione. Il circuito è composto da una cascata di accoppiatori direzionali, con lunghezza di interazione e distanza ridotte per operazioni a banda larga, ed è stato progettato per implementare l’interferenza della luce raccolta da due telescopi. La caratterizzazione con luce classica ha mostrato delle perdite di inserzione complessive di 2 dB, e una variazione della riflettività degli accoppiatori <2% in base alla polarizzazione in ingresso e <5% su una banda spettrale tra 1310-1610 nm. La fabbricazione di sfasatori termici al di sopra delle guide d’onda consentirà un pieno controllo della differenza di fase degli fasci in ingresso, permettendo la cancellazione del segnale della stella.