Integrated optics components for stellar interferometry

Il a été récemment démontré que l'optique intégrée pouvait considérablement améliorer les résultats obtenus en interférométrie astronomique en terme de précision, de stabilité, et de facilité de mise en oeuvre. Cette thèse porte sur l'étude d'un composant optique à base de guides d'onde monomodes destiné à recombiner de manière cohérente les faisceaux provenant de quatre télescopes. L'architecture proposée permet de fournir simultanément une mesure instantanée de la visibilité et de la phase des franges pour les six paires possibles de télescopes. Le composant étudié est optimisé de manière à être achromatique sur la bande H de transparence de l'atmosphère et comporte un élément déphaseur achromatique original permettant d'obtenir quatre états de franges d'interférence en quadrature de phase. Les résultats de caractérisation optique obtenus sur une série de dispositifs réalisés par dépôt et gravure de couches de silice sur substrat de silicium confirment les prédictions théoriques et permettent l'étude de composants plus complexes destinés aux projets d'instrumentation de seconde génération du VLTI (Very Large Telescope Interferometer). Cette étude montre que l'architecture proposée est extensible aux bandes d'observation J et K, extensible à la recombinaison de faisceaux issus de six voire huit télescopes et peut être aussi avantageusement utilisée pour réaliser un suiveur de franges.

It has been recently demonstrated that integrated optics could enhance accuracy, stability, and ease of use of stellar interferometry techniques. The subject of this thesis is the study of an optical component based on singlemode waveguides for the coherent recombining of optical beams coming from four telescopes. Proposed architecture provides a simultaneous and instantaneous measurement of complex visibility of interferometric signals of the six possible pairs of telescopes. The component is optimized for achromatic behaviour over the H spectral transparency band of atmosphere and integrates an original achromatic phase shifter in order to obtain four phase quadrature states of interferometric fringes. Optical characterisation results obtained on devices realized by deposition and etching of silica layers on silicon substrate confirm theoretical predictions et enabled the study of more complex components at the heart of second generation instrumentation projects of the VLTI (Very Large Telescope Interferometer) This study shows that proposed architecture can be extended to J and K spectral bands, can be applied for the recombination of beams coming from six and even eight telescopes and could also be applied to realise a fringe tracker.

i A mes filles à ma famille et à mes proches

Il a été récemment démontré que l’optique intégrée pouvait considérablement améliorer les résultats obtenus en interférométrie astronomique en termes de précision, de stabilité, et de facilité de mise en oeuvre.

Cette thèse porte sur l’étude d’un composant optique à base de guides d’onde monomodes destiné à recombiner de manière cohérente les faisceaux provenant de quatre télescopes à des fins d’imagerie par synthèse d’ouverture. L’architecture proposée permet de fournir simultanément une mesure instantanée de la visibilité et de la phase des franges pour les six paires possibles de télescopes.

Le composant étudié est optimisé de manière à être achromatique sur la bande H de transparence de l’atmosphère, comporte un tricoupleur pour séparer chaque faisceau incident en trois faisceaux, la recombinaison avec chacun des trois autres faisceaux se faisant à l’aide d’une cellule « ABCD » permettant de fournir quatre états de franges en quadrature de phase. Pour cela, la cellule « ABCD » comporte un élément déphaseur original optimisé pour fournir un déphasage de 90 degrés achromatique sur la bande H.

Les résultats de caractérisation optique obtenus sur une série de dispositifs réalisés par dépôt et gravure de couches de silice sur substrat de silicium confirment les prédictions théoriques avec une séparation en trois faisceaux parfaitement équilibrée et un déphasage moyen mesuré de 75 degrés avec une variation spectrale de 0,015 degrés par nanomètre.

La recherche en instrumentation astronomique est gouvernée par deux demandes principales : plus de sensibilité pour détecter de nouveaux objets célestes moins brillants et plus de résolution pour obtenir des images plus complexes ou provenant d’objets plus éloignés. Ainsi de nombreuses thématiques scientifiques importantes comme l’étude de la formation des systèmes planétaires ou celle des trous noirs au coeur des galaxies actives ont un important besoin de résolution angulaire accrue. Si augmenter la taille de la surface collectrice d’un télescope permet d’améliorer en théorie ces deux points, la limitation principale de l’observation astronomique au sol provient en fait de l’instabilité de l’atmosphère qui dégrade la qualité des images obtenues. Même avec l’introduction ces dernières années de l’op

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