Next Generation OH Suppression Fiber Bragg Gratings: towards Operation on Sky

Abstract

Near-infra red (NIR) ground based astronomical observations suffer from the existence of bright and dense hydroxyl (OH) emission lines [Meinel, ApJ 112 (1950)] originating in the earth’s atmosphere. Suppression of OH lines will be a crucial aspect in the upcoming generation of extremely large telescopes operating at the NIR, e.g., Extremely Large Telescope (ELT). GNOSIS and PRAXIS instruments successfully demonstrated [Trinh et al., The Astron. J. 145 (2013), Ellis et al., MNRAS 492 (2020)] the capability of fiber Bragg grating (FBG) filter technologies to suppress the OH lines by factors of 8 to 9. In the OH-SUPER project, Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) and the Friedrich-Schiller-University Jena (Uni Jena) collaborated to investigate and develop new inscription techniques and design approaches for manufacturing these filters. Using ultraviolet (UV) laser, AIP established a running light interferometry system, to inscribe up to 15 cm long, multi-notch filters, for a maximum 22 nm bandwidth. This setup is promising and lays the groundwork for future efforts to inscribe repeatable multi-notch filters. AIP also explored novel phase mask designs for inscription of 5 filter lines using UV laser and investigated improving the precision of the target wavelengths. Uni Jena explored scaling aperiodic FBGs up to 20 notches based on the line-by-line method using femtosecond infrared laser (fs-IR). Furthermore, Uni Jena conceptualised and developed a novel "shape aperture" method for inscription of repeatable, spectrally tailored filters using a phase mask method. Evaluation of throughput showed phase mask fs-IR FBG in SMF-28 fiber outperforming UV-inscription into photosensitive fibers. As a result, 7 sets of identical 20-notch filters were realized by the fs-IR phase mask technique at Uni Jena with an excellent interline throughput of at least 93%. AIP developed an athermal packaging solution, stabilizing the filter lines against temperature variations, achieving a maximum wavelength deviation of 12 pm over a temperature range from -17°C to 15°C. Finally, laboratory based short-term stability of the filters was investigated and a trial run with the astrophotonic spectrograph at AIP based on arrayed waveguide grating (the Potsdam arrayed waveguide Spectrograph, PAWS) was performed, jointly by AIP and Uni Jena. This research project has significantly advanced the capability of low-loss OH line filter realization, laying the foundation for efficiently scaling the OH-line suppression capacity. Furthermore, advances in packaging and instrumentation allows for the development of an efficient prototype all-astrophotonic instrument, to advance the field of astrophotonics for future ground-based telescopes benefiting the astronomical community. Astronomische Beobachtungen von der Erde aus im nahen infraroten Wellenlängenbereich (NIR) werden durch helle und dichte Hydroxyl (OH)-Emissionslinien beeinträchtigt, die aus der Erdatmosphäre stammen (Meinel, ApJ 112 (1950)). Die Unterdrückung der OH-Linien wird ein entscheidender Aspekt bei Teleskopen der kommenden Generation sein, die im NIR arbeiten, wie z.B. beim Extremely Large Telescope (ELT). Die Instrumente GNOSIS (Trinh et al., The Astron. J. 145 (2023)) und PRAXIS (Ellis et al., MNRAS 492 (2020)) haben bereits gezeigt, dass Filtertechnologien basierend auf Faser-Bragg-Gittern (FBG) in der Lage sind, OH-Linien um den Faktor 8 bis 9 zu unterdrücken. Im Rahmen des OH-SUPER-Projekts haben das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) und die Friedrich-Schiller-Universität Jena (Uni Jena) gemeinsam neue Techniken und Designs für die Realisierung dieser Filter untersucht und entwickelt. Dabei wurde unter Verwendung eines ultravioletten (UV-) Lasers am AIP “running light” Interferometrie etabliert, um bis zu 15 cm lange Mehrfach-Notch-FBG über eine Bandbreite bis zu 22 nm zu erzeugen. Die Entwicklungen legen den Grundstein für das reproduzierbare Einschreiben von Mehrfach-Notch-Filtern. Am AIP wurden weiterhin neuartige komplexe Phasenmaskendesigns für die Erzeugung von 5-Notch-Filtern mittels UV-Laser entwickelt und Methoden zur Genauigkeit der Zielwellenlänge untersucht. Die Uni Jena erforschte die Skalierung aperiodischer FBG auf bis zu 20 Notches auf Basis der Line-by-Line-Methode unter Verwendung eines Femtosekunden-Infrarotlasers (fs-IR). Außerdem entwickelte die Uni Jena die neuartige “shaping aperture”-Methode, mit der mittels Phasenmaskentechnik spektral angepasste Filter reproduzierbar hergestellt werden können. Die Evaluierung der Filterverluste zeigte, dass die Phasenmasken-fs-IR-FBG die Performance der UV-eingeschriebenen FBG deutlich übertrifft. Demzufolge wurden 7 Sätze identischer 20-Notch-Filter mit einer Effizienz von mindestens 93% mittels der fs-IR Phasenmaskentechnik an der Uni Jena realisiert. Das AIP entwickelte ein athermisches Gehäuse, das die Filter gegen Temperaturschwankungen stabilisiert und eine maximale Wellenlängenabweichung von 12 pm über einen Temperaturbereich von -17°C bis 15°C erreicht. Schließlich wurde die Kurzzeitstabilität der Filtersätze im Labor gemeinsam vom AIP und der Uni Jena untersucht, und ein Testlauf mit dem hauseigenen (AIP) astrophotonischen Spektrograf auf Basis eines “Arrayed Waveguide Grating” (PAWS) durchgeführt. Dieses Forschungsprojekt hat die Techniken zur Realisierung verlustarmer OH-Linienfilter erheblich weiterentwickelt und damit die Grundlage für eine effiziente Skalierung der OH-Linenunterdrückungskapazität geschaffen. Darüber hinaus ermöglichen Fortschritte in Stabilisierung und Instrumentierung die Entwicklung eines effizienten astrophotonischen Prototyps, um das Gebiet der Astrophotonik für zukünftige bodengestützte Teleskope voranzubringen.