光子燈籠技術(shù)及在天文中的應用（特邀）

韓子健，袁祥巖

（1 中國科學院國家天文臺南京天文光學研究所， 南京 210042）（2 中國科學院天文光學技術(shù)重點實驗室（南京天文光學技術(shù)研究所）， 南京 210042）

0 引言

從四個世紀前玻璃匠手持兩塊透鏡眺望遠方，發(fā)現(xiàn)望遠鏡的功能與作用，到國際上正在運行的14 架8～10米級望遠鏡，到我國自研的國家重大科學工程大天區(qū)面積多目標光纖光譜天文望遠鏡（Large Sky Area Multi-Object Fiber Spectroscopy Telescope，LAMOST）［1］，目前國際上正在推進和研制的三十米口徑望遠鏡（Thirty Meter Telescope，TMT）［2］，大麥哲倫望遠鏡（Giant Magellan Telescope， GMT），歐洲極大望遠鏡（Extremely Large Telescope， ELT）等，2021年底成功發(fā)射的口徑6.5 米的空間望遠鏡JWST （James Webb Space Telescope）［3］，光學望遠鏡的制造不斷刷新人類對于天文學前沿科學的認知。在新千年，天文學得益于大口徑望遠鏡建設、大視場巡天計劃的實施，使天文觀測的目標從最初的月球、太陽和太陽系，逐步拓展到銀河系結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)、星系形成與演化、暗物質(zhì)暗能量、系外行星與系外生命探測等重大科學問題上。此外，電磁波、引力波、中微子等多種信息載體也逐步參與到天文觀測領(lǐng)域中。

隨著天文觀測設備的蓬勃發(fā)展，天文望遠鏡的口徑和各類終端儀器的尺寸不斷增加。在有限的儀器空間內(nèi)，如何設計小質(zhì)量、小體積、高性能、高穩(wěn)定性的新一代儀器，對地基與空間天文觀測意義重大。光子學技術(shù)與天文應用的結(jié)合逐漸發(fā)展成新興交叉學科：天文光子學（Astrophotonics）［4］。天文光子學的概念最早由BLAND-HAWTHORN J 等提出，屬于天文學和光子學的交叉學科。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，天文光子學的概念被逐步細化，并逐漸使用低成本、高效率的光子學器件來實現(xiàn)天文學研究的科學目標。

根據(jù)美國2020年《天文光子學白皮書》［5］所述，天文光子學的研究領(lǐng)域細分為光子燈籠、光纖布拉格光柵、瞳面重排儀器、光束合束和光束干涉儀、光子光譜儀、光子光梳等光纖與集成光子技術(shù)的研究。部分元器件在實驗室和天文實測中取得突破性進展，成為天文觀測技術(shù)中不可或缺的一部分，近十年來天文光子學的發(fā)展態(tài)勢見圖1。天文光子學逐步成為天文儀器研究的熱門領(lǐng)域之一。

圖1 近十年來天文光子學的發(fā)展態(tài)勢［5］Fig.1 Growth of the astrophotonics in the last decade［5］

由天文光子學概念延伸并發(fā)展的儀器中，光子燈籠（Photonic Lantern， PL）是光纖光學在天文觀測儀器中的優(yōu)秀范例。光子燈籠概念最早出現(xiàn)在2004年，目的是為了解決羥基發(fā)射線對紅外波段天文觀測帶來的影響。光子燈籠是一種低插入損耗、高模式選擇性的新型全光纖線性光學器件，以綜合單模光纖系統(tǒng)與多模光纖系統(tǒng)的優(yōu)勢，并實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換與模式控制。光子燈籠器件逐漸在光譜濾波、擾?？刂?、波前傳感等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

本文就光子燈籠器件的概況、制備工藝與分類、天文領(lǐng)域應用場景等三方面對設備進行介紹，并著重介紹光子燈籠在天文儀器技術(shù)領(lǐng)域中的研究進展。

1 光子燈籠器件概述

1.1 基本原理

光子燈籠是一種連接單個多模波導，以及多個單模波導或多纖芯光纖（Multi-Core Fiber， MCF）的低損耗光波導器件［6-9］。光子燈籠器件一端是滿足特定條件的多模波導，另一端是若干個單模波導或MCF，中間錐區(qū)過渡段通過拉錐過程實現(xiàn)漸變過渡轉(zhuǎn)換。該器件構(gòu)型與燈籠形狀相近，故被稱作“光子燈籠”。光子燈籠的任意一端均可作為輸入端或輸出端使用。光子燈籠的單模波導個數(shù)與多模端的模式數(shù)之間存在匹配關(guān)系，即單模端獨立的Ｎ個基模能夠耦合到多模端相同數(shù)量的多個模式。圖2 展示了一種由單個多模波導輸入、多個單模波導輸出的光子燈籠器件原理示意圖。

圖2 光子燈籠的結(jié)構(gòu)示意圖［8，9］Fig.2 Schematic diagram of a photonic lantern ［8，9］

從模式選擇差異性來看，光子燈籠器件可大致分為三類［10］

1）標準型：波導結(jié)構(gòu)與材料折射率上有一致性，可以實現(xiàn)基模與高階模之間的轉(zhuǎn)換，但無法滿足對選模特性的特殊要求；

2）模式選擇型：單模波導的尺寸和折射率都有不同，可以實現(xiàn)高階模式的激發(fā)與復用［11］；

3）混合型：介于標準型和模式選擇型之間的光子燈籠器件［12］。光子燈籠器件中一個單模波導與其他單模波導有差異，可獨立地實現(xiàn)特定模式的輸出，其他波導共同構(gòu)成類似標準型的光子燈籠器件。

光子燈籠過渡錐區(qū)中模式變換過程可用量子力學中的Kronig-Penney 模型進行類比解釋［13-15］，如圖3 所示。光子燈籠過度錐區(qū)內(nèi)的模式變化過程可類比量子阱內(nèi)電子駐波解的能量變化。電子駐波的離散能量可以通過獨立勢阱。在特定幾何形狀和合適電勢下，獨立勢阱僅可保留一個離散能級，這和光子燈籠波導的基模類似，即每個基模中僅有一個空間模式。當量子阱逐漸變窄時電子開始穿過量子阱；在轉(zhuǎn)換過程接近結(jié)束時，原有的量子阱基本消失，所有電子進入一個幾何尺寸更寬的量子阱中。類比來看，光子燈籠過渡過程中，錐區(qū)尺寸逐漸變窄，空間模式逐漸從單模端向多模端進行過渡，并最終在多模端輸出。

圖3 光子燈籠與量子力學中Kronig-Penney 模型類比關(guān)系示意圖［13］Fig.3 Schematics of the Kronig-Penney model analogy for the photonic lantern［13］

1.2 模式演變與光波導排布

光子燈籠的合理模式演變和光波導排布優(yōu)化可減少傳輸損耗，提升效率。LEON-SAVAL S G 等對前期NOORDEGRAAF D 等提出的一款1×7 型光子燈籠進行了理想情況下模式演變過程的定量模擬分析［14］，如圖4 所示，分析借助了Rsoft 和CUDOS MOF Utilities［16］兩款軟件，設定工作波長為1.55 μm。該款光子燈籠使用了7 根間距80 μm、直徑6.5 μm、折射率為1.453 97 的單模波導，外圍包層折射率為1.444 0，組合截面直徑224 μm。七根單模波導被緊密包裹在折射率為1.443 1、外徑437 μm 的二氧化硅套管內(nèi)。拉錐初始階段，光波導截面上模式分布仍近似單模端初始基模形態(tài)，即模式牢牢束縛在單模波導結(jié)構(gòu)中。隨著拉錐比不斷減小，原本束縛在單模波導中的模式擴散在包層中，各模式間光場重疊積分變大，相互耦合影響逐漸增加。拉錐過程結(jié)束時，單模波導完全消失，單模端包層結(jié)構(gòu)完全演化為多模段纖芯結(jié)構(gòu)，各超模完全演變?yōu)槎嗄６说哪Ｊ浇M，多模端的模式數(shù)量恰好與單模波導數(shù)量相匹配。

圖4 一種1×7 型光子燈籠的模式演變過程分析［13］Fig.4 The evolution of modes throughout a 1×7 photonic lantern［13］

此外，光子燈籠設計還要考慮充分實現(xiàn)模式演變過程所需的錐區(qū)長度和錐角大小。FOUTAINE N K 等［17］和BIRKS T A 等［18］利用光束傳播法（Beam Propagation Method， BPM）模擬計算了光子燈籠在不同模式的轉(zhuǎn)換長度，即不同錐角下的損耗。錐角大小與單模端纖芯數(shù)量、錐區(qū)長度等相關(guān)，還要考慮絕熱拉錐條件［19，20］，即模式光場能量在拉錐過渡過程中不產(chǎn)生損耗，拉錐過程要足夠平緩。在低損耗要求下，不同的單模波導數(shù)量所需錐角大小不同。例如，3 芯光子燈籠的錐角要小于0.69°［17］； 85 芯光子燈籠的錐角要小于0.21°［18］。錐角越小，模式轉(zhuǎn)換的過程越為平緩，光子燈籠的傳輸損耗越小。

低損耗光子燈籠中，單模波導的數(shù)量要與多模端模式數(shù)量相匹配，幾何排布要同所耦合波導中支持的各模式光場分布形態(tài)近似［21，22］。單模波導的幾何排布形式包括：六邊形排布、環(huán)形排布、方形排布等。更具體地，假定光子燈籠的多模波導支持LPlm空間模式，角度方向極點數(shù)為l，徑向極點數(shù)為m。單模波導空間排布由m個同心圓組成，每個同心圓上排布奇數(shù)個光波導，以區(qū)分角度方向不同的兩個空間模式。每個同心圓上的波導數(shù)量為2p+1 個，其中p為多模波導中徑向模式數(shù)量m所對應的最大值l。

為優(yōu)化光子燈籠性能參數(shù)，減小對稱性損耗，F(xiàn)OUTAINE N K 等將光子燈籠作為空分多路復用系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器件，利用模態(tài)分析、光束傳播法、傳輸矩陣法等分析了1×15 型光子燈籠的模式損耗［17］，如圖5 所示。分析表明，通過增加單模波導數(shù)量，或優(yōu)化單模波導排布，可減少光子燈籠的傳輸損耗。

圖5 多模波導及其15 芯單模波導陣列近似的空間模式分布［13，17］Fig.5 Spatial mode distribution of a multi-mode fiber and its 15-core approximation［13，17］

2 光子燈籠的制備工藝與分類

光子燈籠的實質(zhì)是對光波導的模式進行物理轉(zhuǎn)換，單模波導或是截止，或是在通過強耦合過程下形成多模波導。如圖6 所示，制備工藝主要分為三大類：前兩類工藝是基于傳統(tǒng)光纖實現(xiàn)的［18，23］，第三類是采用超快激光直寫技術(shù)（Ultrafast Laser Inscription，ULI）實現(xiàn)的［24，25］。

圖6 三類不同制備工藝下的光子燈籠結(jié)構(gòu)示意圖［24］Fig.6 Schematics of the three different photonic lantern fabrication approaches［24］

第一個光子燈籠采用光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber， PCF）作為19 根單模波導的包層結(jié)構(gòu)，利用光纖拉錐塔完成套管拉錐制作過程［26］，但該方法易受到包層材料制約。目前更為常用的是全固態(tài)光纖拉錐工藝［23］：將一束單模波導放入低折射率的細玻璃套管中，熔融拉錐形成多模波導［18］，還可參考全固態(tài)帶隙光纖的加工方式，基于一根帶有上百個纖芯的MCF 制成光子燈籠器件［27］。該方法在保護纖芯的同時減少了加工過程引起的額外損耗，但無法滿足對特定空間模式的選擇需求，先后制成了用于天文觀測的7 芯、19 芯、61 芯光子燈籠［26，28，29］。

另一種制作工藝是通過超快激光直寫技術(shù)實現(xiàn)的［24，30，31］，可實現(xiàn)光波導的高精度定位，具有緊湊性和多功能性。激光在玻璃基底的特定位置上進行直寫，使該位置上的折射率增加，形成相互獨立的單模波導。隨著模式轉(zhuǎn)換過程的進行，單模波導逐步耦合形成多模波導［24，25，32］。但設計與加工過程需要額外考慮接口設計與傳輸損耗問題。

2.1 多孔包層內(nèi)嵌套多根單模光纖

光子燈籠概念的提出要追溯到2005年前后［9，33］。在2004年，BLAND-HAWTHORN J 提出擬采用若干組非周期性單模光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating， FBG）實現(xiàn)天文觀測中的羥基抑制［34］。在天文觀測中，多模光纖可實現(xiàn)對望遠鏡所成星象的低損耗傳輸。但考慮到多模光纖中存在傳播常數(shù)不同的多個模式，多模FBG 空間模式間相互耦合會形成多個反射峰［35］。若在多模光纖中實現(xiàn)單模光纖的功能，即可滿足FBG 器件的觀測需求。BIRKS T A 提出了光子燈籠的構(gòu)想，讓多模光纖與若干組已對接了FBG 的單模光纖進行耦合。考慮到技術(shù)歷史積累和原材料限制，LEON-SAVAL S G 在PCF 中嵌套了若干根單模光纖，利用套管拉錐方式制作了第一個光子燈籠器件［36］，如圖7 所示。PCF 又稱作微結(jié)構(gòu)光纖，其波導特性是通過貫穿整個包層的致密空氣孔來實現(xiàn)的［37］。第一個光子燈籠是基于帶有19 孔的PCF 制作的，截面直徑約3 mm，每個空氣孔內(nèi)放置1 根剝離了聚合物包層的單模光纖［36］。隨著拉錐過程的進行，單模光纖逐漸成為光子晶體光纖中的纖芯，保證了錐區(qū)的低損耗過渡。

圖7 第一個光子燈籠的原理圖、顯微圖與實物圖［9］Fig.7 Schematic diagram， micrograph， and photograph of the first photonic lantern［9］

為了驗證所制作光子燈籠器件的性能，BLAND-HAWTHORN J 用兩個光子燈籠器件的單模端拼接了19 個FBG 器件，形成多模-單模-多模（MM-SM-MM）組合，如圖8 所示。當所有FBG 在常溫下工作時，MM-SM-MM 的透過率譜線產(chǎn)生了一段約0.1 nm 寬的波長差，峰值約～12 dB。將其中9 個FBG 加熱到60 ℃，測得透過率譜線產(chǎn)生了兩個吸收谷，透過率峰值約為～3 dB，證實了組合器件內(nèi)各部分屬性是一致的。但經(jīng)過計算，光子燈籠器件的損耗達到了14.7 dB，不適用于天文觀測。這套光子燈籠器件的設計和制造工作僅用于進行概念驗證，并沒有考慮到多模端模式數(shù)量與單模纖芯數(shù)量間的匹配問題。

圖8 帶有光纖布拉格光柵的MM-SM-MM 光子燈籠對的原理與加工示意圖［9］Fig.8 Schematic and manufacture diagram of an MM-SM-MM lantern pair ［9］

2006年，該團隊進行了進一步實驗［8］，這次實驗只用了7 根單模光纖，并采用了空氣孔結(jié)構(gòu)更小的PCF，以便更好地控制多模端纖芯的結(jié)構(gòu)。該器件成為第一支低損耗光子燈籠，在1 550 nm 下平均損耗為0.3 dB。實驗從側(cè)面證實，使用PCF 制作光子燈籠，極易造成光纖模式間不匹配，增加器件損耗。

2.2 固態(tài)包層內(nèi)嵌套多根單模光纖

基于固態(tài)包層內(nèi)嵌套多根單模光纖的方法，是對上文方法的改進。為響應BLAND-HAWTHORN J 對大規(guī)模制作更穩(wěn)定更可靠的光子燈籠器件需求，NOORDEGRAAF D 等在2009年首次提出了固態(tài)包層內(nèi)嵌套多根單模光纖的制作方法［23］，如圖9 所示。與之前LEON-SAVAL S G 等采用的方法類似，該方法將N個單模光纖嵌入在低折射率的細玻璃管中加熱拉錐。單模光纖排列緊密，使器件整體尺寸更小。該方法與制作多模熔融光纖耦合器的方法類似［39］，只是在錐區(qū)腰部截止，以產(chǎn)生光子燈籠的多模端端口。此外，單模波導間的空氣間隙在拉錐過程中會逐漸消除，無需考慮上文方法中PCF 內(nèi)空氣間隙排布和尺寸的影響。

圖9 低折射率玻璃套管內(nèi)嵌套多根單模光纖并拉錐的示意圖與截面顯微圖［23，29，38］Fig.9 Schematic and cross section micrographs of a photonic lantern made by tapering a bundle of SMFs inside a low index tube［23，29，38］

NOORDEGRAAF D 等的初步實驗在固態(tài)細玻璃管內(nèi)嵌套了7 根單模光纖。測試表明，所制作的光子燈籠器件過渡區(qū)域的損耗為0.32 dB，從單模端到多模端的平均損耗僅為0.24 dB。后期，NOORDEGRAAF D等開展了對61 芯［29］和19 芯［40］兩種光子燈籠的驗證工作，在1 200～1 700 nm 波長下測得MM-SM-MM 透過率在70%至80%之間。此外，實驗分析了光子燈籠器件設計所面臨的潛在困難：1）多模輸入端的空間模式數(shù)量不能大于單模波導的數(shù)量，需要確保耦合器件的數(shù)值孔徑足夠??；2）單模波導的數(shù)量要足夠多，以滿足光子燈籠器件的整體耦合效率。為了在有限成本下提升光子燈籠器件性能，還可在保證單模波導內(nèi)芯不變的情況下，減小其外徑尺寸以增加單模波導數(shù)量。總的來說，基于固態(tài)包層內(nèi)嵌套多根單模波導的方法可重復性高，制作的光子燈籠傳輸損耗小，為光子燈籠的大規(guī)模應用提供可能。

2.3 固態(tài)包層內(nèi)嵌套單根多纖芯光纖

上文提到的兩種方法雖然已經(jīng)有成功先例，但需要在小口徑包層材料內(nèi)嵌套多根單模纖芯并熔融拉錐。受工藝成本限制，包層材料的直徑有限，嵌套單模纖芯的難度增加，很難增加單模纖芯的數(shù)量［41］。早在2005年，LEON-SAVAL S G 等已經(jīng)設想過在包層內(nèi)嵌套MCF 的解決方案［9］。MCF 需要特殊定制，但一次制作就可以生產(chǎn)幾公里長的產(chǎn)品，便于一次加工上千根光子燈籠。該方法在細玻璃管內(nèi)僅嵌套一根MCF 并熔融拉錐，MCF 中的毛細管在拉錐過程中不斷塌縮，最終形成一個多模端端口。實際應用中，還可利用飛秒激光將所有FBG 一次性刻蝕在MCF 上［42］，配合該方法可大規(guī)模生產(chǎn)基于FBG 的天文濾波裝置，進一步降低器件研發(fā)成本。在2010年，BIRKS T A 等基于全固態(tài)光子帶隙光纖對該方法中的關(guān)鍵器件進行了概念驗證［43］，并提出了一種基于120個纖芯的MCF 制成的光子燈籠器件［18，44］，如圖10所示。多模纖芯的外徑為230 μm，嵌套在一個數(shù)值孔徑為0.21的摻氟玻璃套管內(nèi)，多模端直徑為50 μm?；谠撈骷谱鞯腗M-SM-MM 的損耗小于0.5 dB。

圖10 等比例尺寸下的N=120 光子燈籠截面顯微圖像［18］Fig.10 Cross-sectional micrographs of an N=120 photonic lantern with same scale［18］

需要注意的是，利用MCF 制作的光子燈籠無法單獨分離某個單模波導，也無法將入射光或出射光單獨耦合到單模端的某個波導上。但利用3.1 節(jié)和3.2 節(jié)所述方法是可以實現(xiàn)的，并且可以在三維空間內(nèi)實現(xiàn)單模波導的自由定位。例如，單模波導可以沿狹縫方向做空間重排，幾何分布與光譜儀的入射端匹配［45，46］。一般地，利用MCF 制作的光子燈籠器件更適用于不需要某特定單模波導的場景使用［18，47］。但借助超快激光直寫技術(shù)，也可以實現(xiàn)特定光譜數(shù)據(jù)的獨立輸出［48，49］。

2.4 光子晶體光纖空氣孔塌縮法

基于PCF 空氣孔塌縮的制備方法最早可追溯到2013年。該方法選用帶有多個單模波導的PCF 為基底材料，采用空氣孔塌縮的方法，使部分空氣孔外圍的包層材料轉(zhuǎn)變?yōu)椴▽?，并使波導逐漸增大，直至形成一個多模波導。多模與單模之間的過渡過程可在PCF 內(nèi)部形成［37］，如圖11 所示。最早用該方法制成的光子燈籠器件采用不同的單模波導制作，每個單模波導的光用于激發(fā)多模波導中的各個空間模式［50］?？諝饪姿s方法可在光纖拉錐機的熱源上實現(xiàn)［51］，空氣孔的表面張力將使空氣孔塌縮，因此PCF 內(nèi)部會有兩種變形：一是光子晶體光纖的空氣孔直徑和孔間距同時變小，但兩者之比不變；二是PCF 的空氣孔塌縮變小，截面積基本不變［52，53］。

圖11 逐漸拉伸的3 芯PCF 光子燈籠的截面顯微圖像［8，37］Fig.11 Micrographs of cross sections of a gradually collapsing three-core PCF［8，37］

2.5 超快激光直寫方法制作光子燈籠

利用超快激光直寫技術(shù)制作光子燈籠［24］的原理示意圖如圖12（a）所示。ULI 技術(shù)主要利用材料對超快激光的非線性吸收，在作用區(qū)域引發(fā)性能變化，通過控制光束掃描實現(xiàn)三維加工。超快激光刻寫過程可改變基底材料的折射率，進而產(chǎn)生光波導結(jié)構(gòu)［30，54］，形成集成光子燈籠器件，如圖12（b）所示。

圖12 超快激光直寫技術(shù)制作光子燈籠的原理示意圖及其組成的MM-SM-MM 光子燈籠器件對示意圖［24］Fig.12 Schematic diagrams of the PLs made by ULI technique and MM-SM-MM lantern pair made with ULI［24］

2009年，THOMSON R R 等提出可以將ULI 技術(shù)用于三維集成光子燈籠器件的制造過程中［55］，并可與FBG 結(jié)合來制作光學濾波觀測器件。2011年，THOMSON R R 等制作了首個基于ULI 技術(shù)的光子燈籠器件［24，56］。每個光子燈籠器件都包括一個由單模纖芯組成的二維陣列，纖芯沿著光傳播方向相互接近，最終融合并形成一個多模纖芯。制作過程選用了數(shù)值孔徑為0.5 的透鏡，導致會聚激光的刻寫量不夠均勻。制作過程可選用多次掃描直寫方法修正刻寫量不均勻帶來的影響［57，58］。超快激光在基底材料上掃描直寫20 次，來制作一個單模纖芯。每次掃描過程的橫向位移量都很小，保證兩次激光直寫的軌跡是相鄰的。多次掃描直寫可制作近似漸變折射率分布的光波導器件［24］，用于形成光子燈籠的過渡區(qū)域。圖12（b）所示光子燈籠的單模端選用了4×4 陣列分布的單模波導，經(jīng)過30 mm 長的過渡錐區(qū)，融合形成近似階躍折射率分布的多模波導。在1 550 nm 波長下，70 mm 長MM-SM-MM 的損耗為5.7 dB。但相同長度的多模波導僅有5.0 dB的損耗，損耗差異是模式不匹配造成的，而非光子燈籠自身的器件損耗。預計在1 550 nm 波長下，超快激光直寫器件的損耗可控制在0.1 dB/cm 以內(nèi)［58］。

除了上文所提到的方法外，JOVANOVIC N、SPALENIAK I、GROSS S 等所在的團隊展開了另一種ULI 方法的應用研究［25，32，59，60］。該方法使用約5 MHz 的高頻脈沖，在焦點處積累大量熱量。該方法制成光波導的折射率分布更為復雜，帶有較大的折射率變化，但光波導之間的排布不夠均勻且不夠規(guī)整。在1 550 nm下，一組MM-SM-MM 光子燈籠對的損耗約為2.1 dB，部分損耗來自0.3 dB/cm 的基底吸收。

使用ULI 方法制作的光子燈籠器件有諸多優(yōu)點。優(yōu)點之一是器件出色的普適性。光波導能以傳統(tǒng)光纖難以實現(xiàn)的方式，由超快激光直寫在基底材料內(nèi)的任何位置上，例如若干個單模波導重排類似狹縫的波導組合［61，62］。此外，用ULI 制作的光子燈籠本質(zhì)上是穩(wěn)定可靠的，這意味著MM-SM-MM 可作為多徑干涉儀使用，較高的長波透過率也可使其拓展到中紅外波段開展相關(guān)應用［63］。但使用ULI 制作的光子燈籠器件損耗較高。光波導的損耗通常是由散射、輻射和吸收引起的，ULI 需要使用低吸收率的基底材料，在低散射、低輻射損耗下實現(xiàn)波導折射率的充分變化［64，65］。

3 光子燈籠的天文應用

光子燈籠可將一束從多模端入射的、受大氣擾動嚴重影響的入射光，經(jīng)傳輸后從單模端輸出滿足衍射限成像條件的出射光。光子燈籠器件的這一優(yōu)勢可極大減小儀器體積，降低成本，避免機械干擾，有助于推動天文儀器的革新與發(fā)展［66，67］。此外，光子燈籠器件還可以與其他儀器共同使用，達到衍射限成像效果。

3.1 光譜濾波技術(shù)

近紅外波段是地基與空間天文觀測的重要組成部分。地基天文觀測容易受到高度在～90 km 大氣層的影響，特別是氫和臭氧結(jié)合激發(fā)形成的羥基發(fā)射線，對近紅外光譜觀測造成了極大干擾。羥基發(fā)射線在0.9～1.8 μm 波段內(nèi)覆蓋了上百條線寬僅有pm 量級的譜線，亮度遠大于遙遠星系的微弱譜線信號，給近紅外光譜觀測帶來困難。光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）可對特定波長的光進行反向濾除來實現(xiàn)窄線寬濾波，適合在不能達到衍射限成像，或自適應光學系統(tǒng)（Adaptive Optics， AO）表現(xiàn)不佳的望遠鏡上工作。

光子燈籠與光纖布拉格光柵的組合設想可追溯到2004年［34］。組合儀器后來在GNOSIS 儀器上成功開展驗證和應用。GNOSIS 是3.9 m 口徑英澳望遠鏡（Anglo-Australian Telescope， AAT）上實現(xiàn)羥基發(fā)射線抑制功能的儀器［68］。GNOSIS 是IRIS2 光譜儀的上游儀器，在棱鏡產(chǎn)生色散之前，使用多個非周期性光子燈籠與FBG 的組合器件來抑制1.47～1.70 μm 波段內(nèi)亮度最高的103 條羥基雙重線。GNOSIS 器件原理圖如圖13 所示，共使用了7 套器件組合，每套器件組合兩端是1×19 型光子燈籠，光子燈籠的單模端對接了2 個FBG 光柵器件。實測過程中，7 套器件組的平均通光效率約為～55%。GNOSIS 對羥基發(fā)射線的抑制效果如圖13 所示，觀測目標為月落后月距大于60°的天區(qū)，21 次曝光總時長達到8.75 h。紅色和黑色譜線分別代表了GNOSIS 抑制前后的測量譜線，可明顯看到GNOSIS 對羥基發(fā)射線的有效抑制。

從光子燈籠角度考慮，GNOSIS 需要使用2 組共14 個1×19 型光子燈籠，單模端需要匹配7×2×19 共266 個FBG 光柵。任意一處耦合偏差都會對儀器整體的濾波性能產(chǎn)生影響，對器件制造工藝提出了極為嚴苛的要求。此外，在器件耦合過程中，MCF 的包層可能引起激光刻寫的不均勻性［19］，引發(fā)不均勻性的因素還包括MCF 預制件或光纖拉伸過程中的工藝缺陷［69，70］，使每個FBG 光柵的屬性存在差異。LINDLEY E 等提出將MCF 放在填有折射率匹配凝膠的套管中，減少刻寫不均勻性的影響［71］，該方法也可拓展到帶有127 纖芯的MCF 上［72］。

從器件組合角度來看，GNOSIS 儀器驗證了其能夠抑制羥基散射的能力，但并未能成功提升光譜觀測靈敏度，原因在于未對IRIS2 光譜儀進行優(yōu)化設計。為解決這一問題，團隊開展了對第二代集成儀器PRAXIS的設計與研發(fā)工作［73］。2020年，PRAXIS 儀器實現(xiàn)了高分辨濾波驗證工作，波長精度控制在0.18 nm［74，75］。利用PRAXIS 對賽弗特星系（Seyferts galaxy）NGC 7674 的觀測譜線如圖14 所示。圖中，紫色曲線是未扣除天光背景、未做羥基濾波的譜線；藍色曲線是未扣除天光背景、已做羥基濾波的曲線；紅色曲線是既扣除了天光背景、又做了羥基濾波的曲線。如圖14 右上角所示，在扣除天光背景，并進行羥基濾波后，1.644 μm 處的［FeII］發(fā)射線、附近的CO （6，3）、CO （7，3）等吸收譜線已經(jīng)清晰可見。

圖14 PRAXIS 對NGC 7674 的觀測譜線［75］Fig.14 Observed spectra of NGC 7674 with PRAXIS［75］

3.2 光纖擾模技術(shù)

視向速度法是系外行星探測的常用方法之一。行星的存在會引起主星光譜譜線的變化。低質(zhì)量行星所引起的譜線偏移量極小（～3 m/s），需要使用高精度高穩(wěn)定度的光譜儀對其進行精確測量。望遠鏡探測到的星光可通過多模光纖入射到光譜儀上。但觀測過程中，多模光纖會受到不完全擾模和模態(tài)噪聲影響，掩蓋了恒星譜線的微小位移。為解決不完全擾模帶來的影響，通常會使用非圓截面多模光纖［73，74］實現(xiàn)光纖擾模，或利用球形透鏡實現(xiàn)雙擾模［76］。

除此以外，光纖自身的制造缺陷會使不同模態(tài)之間存在耦合關(guān)系，產(chǎn)生新的模態(tài)，出現(xiàn)隨波長和時間變化的不穩(wěn)定輸出，也就是模態(tài)噪聲。為解決模態(tài)噪聲，一般會通過輕微擠壓的方式使光纖產(chǎn)生宏彎，也就是增加光纖擾模［77］。但在紅外波段，光纖自身制造缺陷帶來的影響會增加，模態(tài)噪聲帶來的影響也隨之增加［78］。

MCF 與光子燈籠器件的組合，可以有效解決不完全擾模和模態(tài)噪聲的影響，MM-SM-MM 器件對可為系統(tǒng)增加擾模屬性［18］。MCF 在徑向上幾乎沒有變化，基本不產(chǎn)生擾模效應。為了在光子燈籠器件正常工作的情況下增加擾模效應，需要將MCF 的各纖芯的差異最大化。MCF 的纖芯直徑產(chǎn)生變化，以保證高階模能夠以在近似單模纖芯的環(huán)境下傳播?；谠摲椒ㄖ谱鞯?3 芯光子燈籠截面顯微圖像如圖15 所示［79］。不同空間模式具有不同的傳播常數(shù)，每個纖芯內(nèi)傳播的光都帶有不同的相位變化量。另外，纖芯的擾動和制造缺陷使光在輸入端和輸出端的振幅不同。當光經(jīng)過MCF 傳播，并在光子燈籠內(nèi)重新組合輸出時，振幅和相位都帶有擾模效應［47，79，80］。

圖15 纖芯直徑變化后的73 芯MCF 及其制作的光子燈籠器件輸出端照片［79］Fig.15 Image of the output of a 73-core MCF with modified core diameters and PL made by 73-core MCF［79］

3.3 波前傳感技術(shù)

提升地基大口徑望遠鏡的成像質(zhì)量是天文工作者不斷追求的目標之一，主動光學和自適應光學是應運而生的兩項光學前沿分支技術(shù)。兩項技術(shù)都需要波前傳感技術(shù)實現(xiàn)波前畸變的實時監(jiān)測，從而利用校正機構(gòu)對波前畸變進行補償。波前畸變測量精度會直接影響校正質(zhì)量，從而影響光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量。利用波前斜率的采樣測量，可重構(gòu)波前來完成測量，常用的幾類波前傳感器如Shack-Hartmann 波前傳感器（Shack-Hartmann Wavefront Sensor， SH-WFS）［81］、四棱錐波前傳感器（Pyramid Wavefront Sensor）［82］、曲率波前傳感器（Curvature Wavefront Sensor）［83］等。在實際使用中，這幾類波前傳感器可能遇到的問題有：望遠鏡結(jié)構(gòu)振動對波前測量精度的影響［84］；大口徑地基光學望遠鏡上，支撐副鏡的四梁翼結(jié)構(gòu)溫度變化引起周圍氣流擾動，在低風速條件下給瞳面波前帶來明顯影響，且難以有效測量的低風速效應（Low-Wind Effect， LWE）［85，86］；分光路測量帶來的波前測量光路與科學成像光路間的非共光路像差（Non-Common-Path Aberrations， NCPA）等問題［87］。

將光子燈籠器件應用于波前傳感的最初嘗試來自于對光子燈籠器件傳輸過程的分析。光子燈籠器件可將多模端入射光的相位信息轉(zhuǎn)換為一一對應的強度信號，并在單模端輸出。這一特性使光子燈籠具備了在焦面進行波前傳感的潛力。但目前光子燈籠的單模端輸出數(shù)量仍然有限，現(xiàn)階段僅能測量低階波前信息，卻可針對低風速效應帶來的波前擾動等進行測量。從應用層面上看，光子燈籠波前傳感器（Photonic Lantern Wavefront Sensor， PL-WFS）可與SH-WFS、四棱錐波前傳感器等配合使用，對待測波前信息進行進一步精確測量。

2016年，CORRIGAN M 等在光子燈籠波前傳感方面開展模擬研究，初步驗證了光子燈籠器件用于波前傾斜誤差（Tip-Tilt）的可行性［88］。2018年，CORRIGAN M 等設計了1×5 型光子燈籠器件并開展實驗測試［89］，如圖16 所示。光子燈籠器件可提供兩種工作模式：1）使用外圍4 根單模波導用于測量波前傾斜誤差，中間1 根單模波導為后端儀器提供輸入；2）5 根單模波導均用于光譜測量，在某個特定波長下分析相對強度波動，來測量波前傾斜誤差。在±55 mas （milli-arcseconds，毫角秒）范圍內(nèi)，光子燈籠器件可實現(xiàn)對波前傾斜誤差的有效線性測量。

圖16 1×5 型光子燈籠單模端布局與輸出強度信號及兩種不同工作模式［88，89］Fig.16 SM port geometry， output signal， and two working configurations of the designed 1×5 photonic lantern［88，89］

在2020年，NORRIS B 等提出一種結(jié)合了深度學習技術(shù)的光子燈籠波前傳感器［90］，器件實現(xiàn)波前傳感的過程如圖17 所示。PL-WFS 多模端置于望遠鏡焦面處，通過標定不同已知像差的輸入光強以及光子燈籠單模端的輸出光強，結(jié)合深度學習實現(xiàn)單模端光強分布和PL-WFS 輸出的關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)未知波前的測量?；谏疃葘W習原理的PL-WFS 可反演得到非離散采樣的連續(xù)波前。實驗測試利用空間光調(diào)制器產(chǎn)生了前10 項Zernike 系數(shù)構(gòu)造的、范圍在±0.12 π 內(nèi)的波前誤差，所設計的PL-WFS 器件可以實現(xiàn)均方根5.1×10?3π的波前重構(gòu)精度。

圖17 1×19 型光子燈籠實現(xiàn)波前傳感的過程［90］Fig.17 Schematic diagram of a 1×19 photonic lantern realizing wavefront sensing ［90］

近兩年，部分未使用深度學習技術(shù)的PL-WFS 研制工作逐漸顯現(xiàn)。2021年，CRUZ-DELGADO D 等使用了復雜的轉(zhuǎn)移矩陣對出射光進行表征，對用于波前傾斜誤差的PL-WFS 進行研究［91］，在1 064 nm 下探測張角范圍約～0.4°。同年，LIN J 等就衍射限下光譜測光所使用的光子燈籠器件進行了概念性設計［92］；并在次年對基于1×6 型光子燈籠器件開展了第一階段的詳盡的理論基礎(chǔ)研究［10］，驗證了PL-WFS 器件對不含平移誤差的前五項Zernike 系數(shù)的模擬解算。此外，LIN J 等針對PL-WFS 器件的優(yōu)化設計工作仍在進行中［93］。2022年，WRIGHT T A 等就1×3 型PL-WFS 開展波前傾斜誤差測量的應用研究工作［94］，分析了波前傾斜誤差與光強質(zhì)心位置之間的關(guān)系，并就集成于天文望遠鏡系統(tǒng)開展了優(yōu)化設計。針對PL-WFS 工作原理的數(shù)值分析工作已逐步開展。本文作者已就PL-WFS 在大型拼接鏡面望遠鏡的共焦、共相方面應用開展了相關(guān)研究。

3.4 其他應用成果

光子燈籠單模端波導數(shù)量增加時，器件損耗問題更為顯著，嚴重影響應用效果。2012年，BIRKS T A 等利用固態(tài)細玻璃管內(nèi)嵌MCF 后熔融拉錐，測得MM-SM-MM 的整體損耗小于10%。這種制作工藝降低了光子燈籠的制造風險，提升了器件的整體性能，具備了應用潛力。例如在2017年，在WHT（William Herschel Telescope）望遠鏡的自適應光學后端，使用了一個該方法制作的光子燈籠器件，與另一套的光束重排器組合使用［95］，二者的整體耦合效率可以達到50%以上。

2017年，LEON-SAVAL S G 等基于該制作工藝，提出了一種提高光子燈籠內(nèi)空間模式數(shù)量的新思路。將7 個37 芯的光子燈籠器件堆疊，嵌套在低折射率玻璃套管中進行熔融拉錐，最終形成了一個帶有259 個空間模式的合成光子燈籠器件［96］，如圖18 所示。器件工作效率在90%以上，可滿足超大口徑光學望遠鏡在波前傳感、天文濾波、為光譜儀等后端儀器提供上游輸入等應用場景。

圖18 四種光子燈籠的不同形式［96］Fig.18 Four different varieties of photonic lanterns［96］

光子燈籠的小型化、高效率特性使其逐步成為傳統(tǒng)光纖光學器件的優(yōu)秀替補。2019年，EIKENBERRY S 等提出，使用光纖器件連接多個小型商用望遠鏡模塊，等效大口徑地基天文望遠鏡，從而實現(xiàn)低成本的天文光譜測量，即PolyOculus 計劃［97］，如圖19 所示。PolyOculus 初期計劃使用可切換多光纖耦合單元（Switchable Multi-Fiber Coupler， SMFC）聯(lián)結(jié)七臺小口徑望遠鏡，對同一目標觀測，等效實現(xiàn)大口徑地基望遠鏡的成像效果。在2021年，MORAITIS C D 等提出使用7×1 型光子燈籠替代SMFC 單元［98］，七個小望遠鏡采集的光信號由單模端輸入，并統(tǒng)一在多模端輸出。相比SMFC，光子燈籠器件所需要的儀器空間更小，耦合效率更高。MORAITIS C D 等就PolyOculus 中所使用的光子燈籠器件開展了實驗室驗證與測試工作，器件在大帶寬的工作效率可達到～91%左右。

圖19 PolyOculus 的概念設計圖與早期設計方案中擬采用的SMFC 概念圖［97］Fig.19 Conceptual layout of the basic PolyOculus and SMFC concept in the PolyOculus initial design［97］

此外，與光子燈籠相關(guān)的部分計算成像研究也在逐漸開展。2020年，CHOUDHURY D 等基于MCF 制成的光子燈籠器件開展了計算成像方面的研究工作，并利用SARA-COIL 計算成像算法進行了圖像重構(gòu)的驗證［99］。2021年，SWEENEY D 等利用神經(jīng)網(wǎng)絡方法，就1×19 型光子燈籠器件和大氣擾動后測得波前開展了相關(guān)研究［100］。光子燈籠的輸出可在一定波長范圍內(nèi)可看作是視寧度的函數(shù)，可用于視寧度預測等方面。

4 光子燈籠技術(shù)的挑戰(zhàn)與展望

光子燈籠器件具有集成度高、體積小巧、傳輸損耗低、便于耦合等特性，可以突破傳統(tǒng)儀器的部分限制，滿足未來天文學對儀器高效能、小型化的需求。特別是ULI 技術(shù)制作的光子燈籠器件，為天文觀測儀器的設計與研制工作發(fā)掘并拓展了新的可能。不可否認的是，應用于天文領(lǐng)域的光子燈籠還面臨著一些挑戰(zhàn)，但同時具有豐富的應用前景。

4.1 光子燈籠的主要挑戰(zhàn)

天文觀測對儀器設計的極端需求，特別是對光子效率的特殊要求，給光子燈籠器件的設計和研制帶來了挑戰(zhàn)。對光子燈籠輸出信息的處理方法，亦成為能否突破器件自身屬性限制的關(guān)鍵因素之一。

1）光子燈籠器件需要良好的設計優(yōu)異的加工精度。器件自身缺陷和粗糙表面散射引入的雜散光影響巨大，也會進一步降低器件工作效率。如前文所述，光子燈籠的制備工藝由最簡單的嵌套方式，演變到固態(tài)包層內(nèi)嵌套單?；蚨嗬w芯光纖，再到基于PCF 的空氣孔塌縮方法，再到新一代利用ULI 技術(shù)直寫的集成光子器件。制備工藝上的每次革新與突破，都減少了器件自身特性帶來的無謂損耗。

2）模式匹配問題也是光子燈籠的主要挑戰(zhàn)之一。模式數(shù)量的增加可拓展光子燈籠的應用范圍，但隨之而來的是模式匹配與串擾問題。常用的模式分析方法包括光束傳播法、傳輸矩陣法等，兩種方法的配合使用能有效提升器件設計參數(shù)，并提升光子燈籠的傳輸效率，并減小耦合、傳輸串擾等損耗帶來的影響。

3）如何拓展光子燈籠的工作波段?？紤]到光纖器件的光譜響應能力，現(xiàn)有光子燈籠器件的工作波段相對較窄（～200～300 nm 左右），無法滿足部分寬光譜測量的天文需求。如何設計并加工制造寬光譜光子燈籠器件，也是器件發(fā)展需要突破的方向之一。

4）如何實現(xiàn)對光子燈籠輸出數(shù)據(jù)的解算，是光子燈籠在波前傳感領(lǐng)域的突破點之一。光子燈籠在測量低階像差，特別是Tip-Tilt、Piston 上展現(xiàn)了較好的線性度［88，89］。但待測相位和光子燈籠輸出光強之間并非完全的一一對應關(guān)系。目前基于機器學習手段已可以對波前相位進行解算，但深層次的理論基礎(chǔ)研究仍具有必要性。

4.2 光子燈籠的天文應用展望

光子燈籠的起源始于對天文觀測的紅外濾波需求。隨著對器件工作原理的認知逐漸深入，光子燈籠的應用領(lǐng)域不再局限于天文觀測，并在光通信、新一代光纖傳感器等方面有了廣泛應用。在天文觀測需求、器件原理與工藝的雙重驅(qū)動下，光子燈籠在天文領(lǐng)域?qū)碛懈鼜V泛的應用前景，包括且不限于以下四個方面。

1）光子燈籠可用于天文光譜成像領(lǐng)域，特別是在近紅外波段的天文觀測。溫度低于4 000 K 的天體輻射主要在紅外波段，但地基紅外天文觀測受到地球大氣的嚴重限制。地球大氣對天體的紅外輻射有一定的吸收作用，且大氣自身輻射（約300 K）也會造成極強的背景噪聲。正如前文所述，光子燈籠器件結(jié)合了單模與多模光纖的特性，易與如FBG 一類具有單模特性的器件組合，有效濾除近紅外波段的羥基發(fā)射線，有效提升觀測水平，進而在獲取豐富的譜線特征，探索系外行星、特別是冷行星的物理特征，揭示并追溯宇宙生命起源等科學問題上提供更多解決可能。

2）光子燈籠可用于低成本的天文高分辨率成像?，F(xiàn)代天文學利用大口徑天文望遠鏡及后端儀器開展對天體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、運動特性、物理狀態(tài)、演化階段、化學成分等方面的研究。高分辨率成像依賴于先進后端儀器的研制，更依賴于望遠鏡口徑的增加，但隨之而來的是復雜的結(jié)構(gòu)、高昂的造價、漫長的工期。前文所述的PolyOculus 使用7×1 型光子燈籠器件，聯(lián)結(jié)七臺小口徑光學望遠鏡采集的星光后統(tǒng)一輸出，等效大口徑地基天文望遠鏡的成像效果。在突破光子燈籠傳輸效率與匹配工裝的設計瓶頸后，采用多臺套小口徑望遠鏡實現(xiàn)天文高分辨率成像成為可能。

3）光子燈籠器件可用于波前傳感領(lǐng)域。部分波前傳感方法，如夏克-哈特曼波前傳感法、色散條紋法、相位差法、衍射圖像傳感法等，或需要考慮到非共光路誤差，或受限于器件原理限制，需要較高的裝調(diào)精度、較大的數(shù)據(jù)計算量。光子燈籠對低階像差的測量更為敏感，如Tip-Tilt、Piston 等，輸出光強與低階像差呈良好的線性關(guān)系，并能實現(xiàn)波前的連續(xù)輸出?？紤]到器件體積、裝調(diào)難度、可靠性高、可直接在焦面測量等特點，作者正在開展用于大型拼接鏡面望遠鏡共焦、共相的光子燈籠波前傳感關(guān)鍵技術(shù)研究。

4）光子燈籠器件可用于天文光干涉測量等領(lǐng)域。Keck 望遠鏡和LBTI （Large Binocular Telescope Interferometer）望遠鏡均已借助傳統(tǒng)光學手段實現(xiàn)了光干涉成像。結(jié)合ULI 技術(shù)，光子燈籠器件可以與集成光子合束器配合工作，通過更為自由的光學耦合方式，實現(xiàn)天文光干涉，并進一步應用于系外行星探測、恒星角直徑測量等領(lǐng)域。

上述展望是光子燈籠在天文領(lǐng)域應用前景的冰山一角。作為天文光子學的主要器件之一，光子燈籠的發(fā)展需要在多功能集成、三維集成、光機電集成三個方面持續(xù)深入探索［4］，即：在緊湊性、穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，提升器件三維結(jié)構(gòu)設計水平，綜合形成光機電一體化集成設計，滿足器件在極端惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定運行，最終成為下一代天文觀測技術(shù)與儀器的發(fā)展基石。

5 結(jié)論

光子燈籠是一個多功能和強大的天文光子學儀器，允許多模光波導系統(tǒng)中存在單模系統(tǒng)的特性，在天文實測中日漸發(fā)揮重要作用。本文從光子燈籠的概況入手，就光子燈籠器件的制備工藝與分類，以及在天文領(lǐng)域的不同應用場景和最新進展進行了介紹。隨著制備工藝的不斷成熟，以及對光子燈籠工作機制的深入研究，光子燈籠器件將在天文光子學領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。