Category Archives: interferometry

Kernel-phase in space

This week, the results of the proposal selection for the Cycle 1 General Observers (GO) program with JWST were announced. In total, some 6000 hours of observing time were awarded to a large number of programs. The details of the GO program can be found on the dedicated STScI webpage.

All of that is great news on its own: the community has been waiting for JWST for a while now and now everybody is really getting ready to do the first observations with this amazing observing facility… but the reason I bring this up here is because, of all of these programs, it turns out that three are directly relevant to what we do in the context of the KERNEL project… and have the word “kernel-phase” in their title!

Two of these programs have been awarded their own time.

The first one is called “Multiplicity Survey of 20 Y Dwarfs with NIRCam Kernel Phase Interferometry“. It is a program led by Loïc Albert (Université de Montreal) that greatly benefited from the paper we published in 2019. As a result, no less than 38.8 hours of observing time were awarded to this program, that will use the kernel-phase technique, combined with the detection algorithm outlined in the paper to look for companions around a sample of 20 very cool sub-stellar objects known as Y-dwarfs. Our team will naturally contribute to the analysis of the data, using the kernel-phase pipeline developed over the course of the KERNEL project.

The second project is called “High resolution, high contrast kernel phase imaging with NIRCam“. It is a smaller program of 4.3 hours of observing time, led by Jens Kammerer, a recent PhD graduate (co-supervised by me) who recently joined STScI. Here, the plan is to target one specific object (HIP 75056 A), known to host a 20-30 Jupiter mass brown dwarf companion to fine tune the kernel-phase analysis procedures.

And an archival proposal… already?!

I was also surprised to discover that, although no data obviously already exists, there is already an archival research proposal called “Kernel-Phase Detection Limits for Planet Discovery with JWST” that was awarded to Samuel Factor, from the University of Texas.

Kernel-phase: a new standard?

To see three different projects directly bear the name “kernel-phase” in their title for the first observing programs by one of the most important observing facilities of the decade to come is a very nice thing to witness! To think that out of the 6000 hours of GO time, more than 40 (not even accounting for the commissioning) aim to take full advantage of kernel-phase is humbling.

I guess after having been a very unusual and marginal observing technique for over a decade, the idea is finally making its way through the brains of observers… who see it as a valid alternative to sparse aperture masking interferometry, particularly onboard a space borne telescope. This means that we have approximately one year to make sure that our pipeline and our detection procedures are razor sharp and ready to be used the moment the data becomes available!

KERNEL-NULLER prototype!

En avril 2020, en plein milieu de la première période de confinement à laquelle nous avons été confrontés, j’avais réalisé une vidéo décrivant le principe de fonctionnement du kernel-nuller. Notre équipe avait lancé le partenariat industriel qui devait nous mener à la livraison imminente d’un prototype…

La crise sanitaire de 2020 a affecté le calendrier de développement de notre prototype: l’étude industrielle pourtant terminée, les usines de fabrication se sont temporairement arrêtées. En pratique les retards se sont accumulés et le prototype, qu’on espérait pouvoir intégrer à notre laboratoire courant 2020 s’est fait attendre.

Mais en ce début d’année 2021, ça y est: notre composant nous a enfin été livré! C’est avec beaucoup de soulagement que je peux enfin poster ici, une première image de ce à quoi ce fameux prototype ressemble, en réalité et comment il se compare à ce qui était spécifié:

Premier prototype de kernel-nuller fabriqué en optique intégrée: l’image de gauche montre le design mis au point par l’équipe KERNEL en collaboration avec l’entreprise Bright Photonics qui a assuré le suivi de la fabrication. L’image de droite est une photographie mosaïque de la surface du composant réel. Le prototype intègre en réalité une demi-douzaine de versions différentes de kernel-nullers dont certaines offrent des versions actives, pouvant être contrôlées par des électrodes (apparaissant en jaune sur le design de gauche). Le composant réel ne mesure que 16 millimètres de côté. Réunir les mêmes fonctionnalités avec des composants optiques classiques (lentilles, miroirs, séparateurs de faisceaux, …) aurait demandé de remplir un volume de plusieurs mètres cube!

Nous avons en réalité fait fabriquer quatre copies de ce composant: deux de ces composants nous ont été livrés nus à la toute fin de l’année 2020 et c’est la photographie de l’un d’eux que vous venez de voir. Les deux autres ont pris un peu plus de temps pour nous être livrés: ils ont été soudés à des borniers électroniques, qui vont nous permettre de contrôler les parties actives du composant en appliquant des tensions. Ce sont ces deux composants “soudés” qui vont faire l’objet du travail d’intégration dans le cadre du projet KERNEL.

En plus des guides d’onde gravés dans le substrat et qui sont représentés par les tracés en rouge sur le schéma de principe, et dans lesquels on va venir coupler la lumière en provenance de plusieurs télescopes, certaines régions du composant peuvent être chauffées par des petites résistances déposées sur la surface du substrat. La tension électrique nécessaire au passage du courant dans les résistances est appliquée via les électrodes représentées par les pistes en jaune sur le même schéma de principe. Le composant étant tellement petit et délicat, nous avons du sous-traiter la soudure et la conception de cartes d’interface.

Prototype de kernel-nuller, connecté à deux borniers électroniques. En appliquant des tensions électriques deux bornes, il est possible de venir chauffer localement le substrat constituant le composant. La variation de l’indice de réfraction qui en résulte peut être utilisée pour moduler la phase du champ électrique de la lumière présente dans les guides d’onde!

En appliquant des tensions aux bornes de ces connections électriques, on peut chauffer localement le substrat constituant le composant (verre SiN, optimisé pour une utilisation dans la bande H) et moduler la phase du champ électrique de la lumière se propageant dans les guides d’onde (globalement de la gauche vers la droite). Cette propriété du kernel-nuller offre un nombre important de possibilités: un élément de chauffage à l’entrée peut se substituer à une ligne à retard optique avec un temps de réponse de l’ordre de la milli-seconde . Un élément de chauffage situé entre les fonctions réalisant les interférences peut permettre de compenser des imperfections du design ou des dérives optiques induites par des fluctuations de l’environnement thermique.

Cette technologie thermo-active, fréquemment mise en œuvre dans le cadre des télécommunications n’a jamais été exploitée dans un contexte astro: si on arrive à le mener sur le ciel, le kernel-nuller pourrait être le premier exemple d’une famille de calculateurs électro-optique à lumière stellaire 😉

Maintenant, nous avons du pain sur la planche: notre banc de test KERNEL est en train d’être upgradé pour permettre l’intégration du composant avec le reste des éléments (contrôle actif du front d’onde et moyens de caractérisation). Si les avantages théoriques de l’architecture kernel-nuller se confirment, il nous faudra envisager une démonstration technique sur le ciel! Ce travail est principalement mené par Nick Cvetojevic (employé du projet ERC KERNEL) et Peter Chingaipe (doctorant UCA bénéficiant d’une bourse 80-PRIME du CNRS).

KERNEL publication: Kernel-nullers for all interferometers!

In this new study, led by PhD candidate Romain Laugier, our team has looked into what one needs to do in order to build a kernel-nuller, that is a high-contrast interferometric recombiner robust to residual piston excursions, for an array featuring an arbitrary number of telescopes.

The paper takes advantage of nice graphical representations of the inner workings of a nuller called “complex matrix plots” (but that we’ve nicknamed “Laugier-grams”) to find the properties a recombiner must exhibit in order to be robust to piston perturbations.

The same graphs were also featured a few months ago in a video recorded in French (first announced in this blog post) and later translated into English that explains why the 4-beam kernel-nuller of Martinache & Ireland (2018) works. Both videos were posted on Youtube:

Congratulations to Romain for another published paper to append to his upcoming PhD dissertation! The preprint version of the paper is available for download on the arXiv.org website: https://arxiv.org/abs/2008.07920. Romain’s PhD defense will take place in a little over a month on September 22, 2020.

KERNEL-Nuller: vidéo explicative

Il y maintenant bientôt deux ans, j’annonçais sur ce site l’acceptation d’un article publié avec mon collègue Mike Ireland présentant un mode d’observation interférométrique haut contraste robuste aux petites erreurs de correction par un suiveur de franges: le kernel-nuller.

Notre équipe à Nice est, en collaborant avec l’entreprise Bright Photonics en train de faire fabriquer un premier prototype de kernel-nuller, sous forme de composant d’optique intégrée. La situation sanitaire du COVID-19 complique un peu le calendrier de cette activité et de la thèse de doctorat qui y est liée, mais nous devrions pouvoir annoncer cette année, des résultats partiels d’une première intégration d’un tel composant sur un banc optique.

En attendant de voir ce composant en action, voici une vidéo mise en ligne il y a quelques jours, expliquant ce qui distingue le kernel-nuller du nuller interférométrique initialement imaginé par Ronald Bracewell à la fin des années 1970… et illustre comment le concept fonctionne!

Kernel-nulling paper accepted for publication by Astronomy & Astrophysics

It is my great pleasure to be able announce that the paper Mike Ireland (ANU) and I wrote, entitled “Kernel-nulling for a robust direct interferometric detection of extrasolar planets” has been accepted for publication by Astronomy & Astrophysics.

The paper introduces a baseline class of nulling-interferometers producing outputs that can be robustly calibrated. These new observable quantities exhibit properties that are similar to closure- and kernel-phase, while taking advantage of the use of a true nulling stage. The first version of our paper had been previously announced. The (updated) preprint of the paper is now available on arXiv.

It is fantastic to have this piece accepted: the quest for robust high-contrast solutions has been on my mind for a while… And now that we know that at least one solution exists, surely others must do too!

Conclusion slide from a presentation I gave, describing Kernel-nulling and the VIKiNG instrument concept it leads to for VLTI.

Habilitation à Diriger des Recherches

Dans le but de soutenir mon Habilitation à Diriger des Recherches (HDR), j’ai soumis à mes rapporteurs la première version de cette thèse, intitulée: “Repousser les limites de la diffraction pour l’astronomie à haute résolution angulaire”.

Page de garde de la HDR de Frantz

Deux versions de cette thèse sont téléchargeables ici au format PDF:

Si mes rapporteurs m’y autorisent, la soutenance de cette thèse de HDR devrait avoir lieu le jeudi 4 octobre 2018, à l’Observatoire de la Côte d’Azur, sur le site du Mont Gros.

Entrée de la Grande Coupole de l’Observatoire de la Côte d’Azur, sur la colline du Mont Gros, à Nice.

Pour les curieux, une page de Wikipedia explique ce qu’est la HDR et quel est le rôle de cette tradition qui ne semble exister qu’en Europe ainsi que dans quelques pays d’Afrique du Nord.

La thèse est évidemment écrite en LaTeX. Pour la mise en page, j’ai choisi d’utiliser la classe tufte-latex, inspirée par les publications de Edward Tufte. La lecture de son livre intitulé The Visual Display of Quantitative Information et de son essai intitulé Essay: The Cognitive Style of Powerpoint: Pitching Out Corrupts Within durant mon premier contrat de post-doctorat à l’Université de Cornell ont eu une forte influence sur ma méthode de communication scientifique: je les recommande tous les deux!

Kernel-nulling talk in Grenoble

These are the slides of a presentation given on March 8, 2018 at IPAG, where I present research activities related to the KERNEL project, in particular the most recent development concerning the idea of kernel-nulling interferometry.

Predicted contrast detection limits for the L-band VIKiNG instrument concept proposed by Martinache & Ireland.

You can access the presentation file directly here.

Kernel-nulling for a robust direct interferometric detection of extrasolar planets

A new paper posted on arxiv by Frantz Martinache & Mike Ireland.

https://arxiv.org/abs/1802.06252

Abstract:

Combining the resolving power of long-baseline interferometry with the high-dynamic range capability of nulling still remains the only technique that can directly sense the presence of structures in the innermost regions of extrasolar planetary systems. Ultimately, the performance of any nuller architecture is constrained by the partial resolution of the on-axis star whose light it attempts to cancel out, and the design of nullers focuses on increasing the order of the extinction to reduce the sensitivity to this effect. However from the ground, the effective performance of nulling is dominated by residual time-varying instrumental phase errors that keep the instrument off the null. This is similar to what happens with high-contrast imaging, and is what we aim to ameliorate. We introduce a modified nuller architecture that enables the extraction of information that is robust against piston excursions. Our method generalizes the concept of kernel, now applied to the outputs of the modified nuller so as to make them robust to second order pupil phase error. We present the general method to determine these kernel-outputs and highlight the benefits of this novel approach. We present the properties of VIKiNG: the VLTI Infrared Kernel NullinG, an instrument concept within the Hi-5 framework for the 4-UT VLTI infrastructure that takes advantage of the proposed architecture, to produce three self-calibrating nulled outputs. Stabilized by a fringe-tracker that would bring piston-excursions down to 50 nm, this instrument would be able to directly detect more than a dozen extrasolar planets so-far detected by radial velocity only, as well as many hot transiting planets and a significant number of very young exoplanets.

The theory of optical stellar interferometry

These videos are part of Section 2 of the on-line course “Eagle Eye Astronomy”, initially released on France Université Numérique. These have recently been re-uploaded on youtube and close-captioned, to help better understand the audio track despite the French accent.

Turn the constraint of diffraction into an advantage: the interferometric trick

Understanding interference fringes: an electromagnetic theory of light

Stars are not lasers: a better model for ordinary light sources

Self-coherence and spatial incoherence of astronomical sources

Coherence length

Coherence length and bandwitdh

A finite spectral bandwidth results in some spectral decorrelation of the electric field emanating from a source: even with a true point source, you will only observe the interference phenomenon (mutual coherence of the field) over a finite range of optical path difference (OPD) that is constrained by the coherence length.

Coherence length: Λ0 = λ²/Δλ

An purely monochromatic and phase-calibrated signal like the one coming out of a very good laser would exhibit an infinite coherence length, represented by the green curve plotted below.

Change the bandpass of the filter (here expressed as 1/R=Δλ/λ) to see its effect on the coherence length (the blue curve).

For a given bandpass (say 0.05 and 0.1), how many fringes can you make out in the fringe packet? How do the two quantities (bandpass, number of fringes) relate to each other?



Bandpass

This tool was developed as a part of the on-line course Eagle Eye Astronomy, hosted on the France Université Numérique website.