Momen Diab

• Ground-based astronomy is set to employ next-generation telescopes with apertures larger than 25 m in diameter before this decade is out. Such giant telescopes observe their targets through a larger patch of turbulent atmosphere, demanding that most of the instruments behind them must also grow larger to make full use of the collected stellar flux. This linear scaling in size greatly complicates the design of astronomical instrumentation, inflating their cost quadratically. Adaptive optics (AO) is one approach to circumvent this scaling law, but it can only be done to an extent before the cost of the corrective system itself overwhelms that of the instrument or even that of the telescope. One promising technique for miniaturizing the instruments and thus driving down their cost is to replace some, or all, of the free space bulk optics in the optical train with integrated photonic components. Photonic devices, however, do their work primarily in single-mode waveguides, and the atmospherically-distorted starlight must first beGround-based astronomy is set to employ next-generation telescopes with apertures larger than 25 m in diameter before this decade is out. Such giant telescopes observe their targets through a larger patch of turbulent atmosphere, demanding that most of the instruments behind them must also grow larger to make full use of the collected stellar flux. This linear scaling in size greatly complicates the design of astronomical instrumentation, inflating their cost quadratically. Adaptive optics (AO) is one approach to circumvent this scaling law, but it can only be done to an extent before the cost of the corrective system itself overwhelms that of the instrument or even that of the telescope. One promising technique for miniaturizing the instruments and thus driving down their cost is to replace some, or all, of the free space bulk optics in the optical train with integrated photonic components. Photonic devices, however, do their work primarily in single-mode waveguides, and the atmospherically-distorted starlight must first be efficiently coupled into them if they are to outperform their bulk optic counterparts. This is doable by two means: AO systems can again help control the angular size and motion of seeing disks to the point where they will couple efficiently into astrophotonic components, but this is only feasible for the brightest of objects and over limited fields of view. Alternatively, tapered fiber devices known as photonic lanterns — with their ability to convert multimode into single-mode optical fields — can be used to feed speckle patterns into single-mode integrated optics. They, nonetheless, must conserve the degrees of freedom, and the number of output waveguides will quickly grow out of control for uncorrected large telescopes. An AO-assisted photonic lantern fed by a partially corrected wavefront presents a compromise that can have a manageable size if the trade-off between the two methods is chosen carefully. This requires end-to-end simulations that take into account all the subsystems upstream of the astrophotonic instrument, i.e., the atmospheric layers, the telescope, the AO system, and the photonic lantern, before a decision can be made on sizing the multiplexed integrated instrument. The numerical models that simulate atmospheric turbulence and AO correction are presented in this work. The physics and models for optical fibers, arrays of waveguides, and photonic lanterns are also provided. The models are on their own useful in understanding the behavior of the individual subsystems involved and are also used together to compute the optimum sizing of photonic lanterns for feeding astrophotonic instruments. Additionally, since photonic lanterns are a relatively new concept, two novel applications are discussed for them later in this thesis: the use of mode-selective photonic lanterns (MSPLs) to reduce the multiplicity of multiplexed integrated instruments and the combination of photonic lanterns with discrete beam combiners (DBCs) to retrieve the modal content in an optical waveguide.…
• In der erdbasierten Astronomie sollen noch in diesem Jahrzehnt Teleskope der nächsten Generation mit Öffnungen von mehr als 25 Metern in Betrieb genommen werden. Mit derart riesigen Aperturen werden die Zielobjekte durch einen größeren Ausschnitt turbulenter Atmosphäre beobachtet, weswegen die meisten die dahinterliegenden Instrumente entsprechend größer werden müssen, um die aufgefangene Strahlungsleistung vollständig nutzen zu können. Die lineare Skalierung der Größe erschwert das Design astronomischer Instrumente erheblich und führt zu einem quadratischen Anstieg der Kosten. Die adaptive Optik (AO) ist ein Ansatz, diese Skalierung zu umgehen. Allerdings ist dies nur bis zu einem gewissen Grad möglich, bevor die Kosten des Korrektursystems die des Instruments oder sogar des Teleskopes übersteigen. Eine vielversprechende Methode, das Instrument zu miniaturisieren und damit die Kosten zu reduzieren besteht darin, einige oder sogar alle der voluminösen Freistrahloptiken im Strahlengang durch photonische Komponenten zu ersetzen.In der erdbasierten Astronomie sollen noch in diesem Jahrzehnt Teleskope der nächsten Generation mit Öffnungen von mehr als 25 Metern in Betrieb genommen werden. Mit derart riesigen Aperturen werden die Zielobjekte durch einen größeren Ausschnitt turbulenter Atmosphäre beobachtet, weswegen die meisten die dahinterliegenden Instrumente entsprechend größer werden müssen, um die aufgefangene Strahlungsleistung vollständig nutzen zu können. Die lineare Skalierung der Größe erschwert das Design astronomischer Instrumente erheblich und führt zu einem quadratischen Anstieg der Kosten. Die adaptive Optik (AO) ist ein Ansatz, diese Skalierung zu umgehen. Allerdings ist dies nur bis zu einem gewissen Grad möglich, bevor die Kosten des Korrektursystems die des Instruments oder sogar des Teleskopes übersteigen. Eine vielversprechende Methode, das Instrument zu miniaturisieren und damit die Kosten zu reduzieren besteht darin, einige oder sogar alle der voluminösen Freistrahloptiken im Strahlengang durch photonische Komponenten zu ersetzen. Photonische Bauteile arbeiten jedoch in erster Linie mit Einzelmoden-Wellenleitern. Damit sie eine bessere Leistung erbringen als die entsprechenden Freistrahloptiken muss das durch die atmosphärischen Störungen verformte Sternenlicht zunächst effizient in die Wellenleiter eingekoppelt werden. Dies kann auf zwei Wegen erreicht werden: AO Systeme können Winkelausdehnung und Bewegung der Bildunschärfe der Sternscheibchen stark genug korrigieren, um diese effizient in astrophotonische Komponenten einzukoppeln. Dies ist aber nur für die hellsten Objekte und über ein begrenztes Sichtfeld möglich. Alternativ können photonische Laternen genutzt werden, um Multimoden des optischen Feldes in Einzelmoden umzuwandeln und somit die Specklemustern in die Einzelmoden-Wellenleiter der integrierten Optiken zu injizieren. Da hierbei die Anzahl der Freiheitsgrade trotzdem erhalten bleiben muss, wird die Zahl der Ausgangswellenleiter für nicht-korrigierte große Teleskope schnell unkontrollierbar anwachsen. Durch sorgfältiges Abwägen kann ein Kompromiss zwischen diesen beiden Methoden gewählt werden, bei dem man eine AO-assistierte photonische Laterne mit überschaubarer Größe erhält, in die eine partiell korrigierte Wellenfront gespeist wird. Dieser Prozess erfordert durchgehende Simulationen unter Einbeziehung aller Subsysteme vor dem astrophotonischen Instrument -Atmosphäre, Teleskop, AO System und photonische Laterne- bevor eine Entscheidung über die Dimensionierung des integrierten Multiplex-Instruments getroffen vii werden kann. Die numerischen Modelle, die die atmosphärischen Störungen und AO Korrekturen simulieren, werden in dieser Arbeit präsentiert. Die Physik und Modelle für optische Fasern, Wellenleiter-Arrays und photonische Laternen werden ebenfalls dargestellt. Jedes Modell für sich ist nützlich, um die Auswirkung des jeweiligen Subsystems nachzuvollziehen. In Kombination werden die Modelle verwendet, um die optimale Konfiguration und Größe der photonischen Laterne für die Einspeisung astrophotonischer Instrumente zu berechnen. Da photonische Laternen ein relativ neues Konzept sind, werden im weiteren Verlauf der Arbeit zusätzlich zwei neuartige Anwendungen erörtert: der Einsatz modenselektiver photonischer Laternen (MSPLs) zur Verringerung der Anzahl von Multiplex-Instrumenten sowie die Kombination photonischer Laternen mit diskreten Strahlkombinierern („Discrete Beam Combiners“: DBCs), um die Moden in einem Lichtwellenleiter zu erfassen.…