[論文レビュー] An integrated lithium-niobate electro-optic platform for spectrally tailored dual-comb spectroscopy

Amirhassan Shams‐Ansari, Mengjie Yu+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、10 GHz分解能（0.33 cm⁻¹）と1.6 THz帯域幅（53 cm⁻¹）を有する1回の測定で、スペクトル的に調整可能なデュアルコム分光を実現するコンactで統合されたリチウムニオブート電気光学プラットフォームを提示する。低損失波導体上での周波数可変かつ位相ロックされた電気光学的コムを活用することで、6.6 THz（220 cm⁻¹）の間隔で分離された非隣接なスペクトル領域を同時に高SNRで検出可能であり、完全に多重化された光子チップ分光計として、これまでで最高の分解能を達成した。

ABSTRACT

A high-resolution broad-spectral-bandwidth spectrometer on a chip would create new opportunities for gas-phase molecular fingerprinting, especially in environmental sensing. A resolution high enough to observe transitions at atmospheric pressure and the simultaneous sensitive detection of multiple atoms or molecules are the key challenges. Here, an electro-optic microring-based dual-comb interferometer, fabricated on a low-loss lithium-niobate-on-insulator nanophotonic platform, demonstrates significant progress towards such an achievement. Spectra spanning 1.6 THz (53 cm-1) at a resolution of 10 GHz (0.33 cm-1) are obtained in a single measurement without requiring frequency scanning or moving parts. The frequency agility of the system enables spectrally-tailored multiplexed sensing, which allows for interrogation of non-adjacent spectral regions, here separated by 6.6 THz (220 cm-1), without compromising the signal-to-noise ratio.

研究の動機と目的

• ガス相分子の指紋を特定するための、高スペクトル分解能と広帯域を有するチップスケール分光計の開発。
• 現在のオンチップ分光計が高分解能・同時多成分検出に苦労しているという制限を克服すること。
• 信号対雑音比（SNR）の低下を伴わずに、非隣接なスペクトル領域を独立して測定可能にするスペクトル的調整可能なセンシングを実現すること。
• 薄膜リチウムニオブートの低損失・高非線形性の特性を活用し、チップ上での高性能電気光学的周波数コムを実現すること。
• 直接原子時計周波数キャリブレーションと狭い器機的ライン幅を有する、完全に統合され、可動部品のない多重化分光計の実証。

提案手法

• 低損失リチウムニオブート酸化物（LNOI）プラットフォーム上に作製されたレーシングトロッパ型マイクロレゾネータを用いた電気光学的（EO）周波数コム生成。
• 各レゾネータを連続波レーザーと周波数が自由スペクトル範囲（FSR）に合わせられたマイクロ波合成器で駆動し、共鳴強化型三波混合を可能にする。
• X切片LN結晶のy軸に沿ってマイクロ波電極を統合し、大きなr₃₃電気光学係数（30 pm/V）を活用して効率的な位相変調を実現する。
• 2つの独立したEOコム光源を用いたデュアルコム構成を実装し、それぞれが別個のCWレーザーとマイクロ波信号で駆動され、0.1 MHzの周波数オフセットをとる。
• 自己相関光変調器を用いて1つのコム光源の周波数をシフトし、2つのRFビートノートスペクトルを6.6 THz（220 cm⁻¹）分離可能にする。
• 共通のマイクロ波駆動信号による位相ロックにより、コム間のコherenecyを確保し、可動部品なしで高精度なスペクトル再構築が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に統合されたリチウムニオブートプラットフォームは、チップ上での高分解能・広帯域デュアルコム分光を達成できるか？
• RQ2 オンチップデュアルコムシステムにおいて、非隣接な分子遷移の同時検出を可能にするために、どのようにスペクトル的調整を実現できるか？
• RQ3 周波数スキャンや可動部品なしで、多重化されたチップベースのデュアルコム分光計が達成可能な最大のスペクトル分解能と帯域幅は何か？
• RQ4 1つのフォトダイオードを用いてスペクトル的に離れた領域を測定する際、信号対雑音比（SNR）は保持できるか？
• RQ5 EOコムの周波数可変性が、多成分センシングに適したオンチップ分光計の汎用性をどの程度向上できるか？

主な発見

• システムは10 GHz（0.33 cm⁻¹）のスペクトル分解能を達成しており、完全に多重化された光子チップベース分光計として、これまでで最高の分解能である。
• 周波数スキャンや可動部品なしで、1回の取得で1.6 THz（53 cm⁻¹）のスペクトル帯域幅が測定された。
• 2つのコム光源が6.6 THz（220 cm⁻¹）離れており、非隣接なスペクトル領域のスペクトル的調整可能な測定が可能で、SNRの低下なしに実現された。
• 測定スペクトルとHITRANデータベースとの間の残差誤差は10%未満、標準偏差3.4%未満であり、高いスペクトル忠実度を確認した。
• 回転振動分光線の半値全幅（FWHM）の平均は7.7 GHzであり、高分解能分子分光法と整合的である。
• 本プラットフォームは、1つあたり2000本のコムラインを有する100以上のスペクトルセクションをサポートでき、同時多成分検出に向けた圧倒的な多重化能力を示した。