[論文レビュー] Broadband Ultrahigh-Resolution chip-scale Scanning Soliton Dual-Comb Spectroscopy

Tong Lin, Avik Dutt+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 37被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、1550-nm レーザー1台から37 THzにわたる高コherencyなマイクロコム2つを生成するシリコンナ nitride マイクロリングレゾネータを用いた、チップスケールのスキャン二重コム分光計測システムを提案する。マイクロヒーターを用いた波長追跡を統合することで、37.5 THzにわたる連続的な周波数チューニングが実現され、319 ± 4.6 kHzという超高分解能を達成した。これにより、H13C14Nの分子吸収分光法を広帯域かつ大量並列で行い、有効チューニング速度が10倍向上した。

ABSTRACT

We present a chip-scale scanning dual-comb spectroscopy (SDCS) approach for broadband ultrahigh-resolution spectral acquisition. SDCS uses Si3N4 microring resonators that generate two single soliton micro-combs spanning 37 THz (300 nm) on the same chip from a single 1550-nm laser, forming a high-mutual-coherence dual-comb. We realize continuous tuning of the dual-comb system over the entire optical span of 37.5 THz with high precision using integrated microheater-based wavelength trackers. This continuous wavelength tuning is enabled by simultaneous tuning of the laser frequency and the two single soliton micro-combs over a full free spectral range of the microrings. We measure the SDCS resolution to be 319+-4.6 kHz. Using this SDCS system, we perform the molecular absorption spectroscopy of H13C14N over its 2.3 THz (18 nm)-wide overtone band, and show that the massively parallel heterodyning offered by the dual-comb expands the effective spectroscopic tuning speed of the laser by one order of magnitude. Our chip-scale SDCS opens the door to broadband spectrometry and massively parallel sensing with ultrahigh spectral resolution.

研究の動機と目的

• 広帯域かつ超高分解能分光計測を実現するコンactなチップ内蔵型プラットフォームの開発。
• 従来の二重コムシステムの制限を克服し、1チップ上で連続的かつ高精度な波長チューニングを実現すること。
• 1台のレーザー光源とマイクロリングレゾネータを用いて、高スペクトル分解能と広帯域チューニングを達成すること。
• 有効な分光チューニング速度を向上させるために、大量並列の混合を実現すること。
• 分子検出に応用可能な実用的でスケーラブルなチップ内オプティカルセンシングを実現すること。

提案手法

• 1550-nm レーザー1台から、シリコンナ nitride (Si3N4) マイクロリングレゾネータを用いて2つの単一ソリトンマイクロコムを生成する。
• マイクロヒーターを統合して、マイクロリングの自由スペクトル範囲全体にわたって、同時にレーザー周波数とソリトン状態を能動的にチューニングする。
• レーザー周波数とソリトン周波数のチューニングを同期させることで、2つのマイクロコム間の高い相互コherencyを実現する。
• スキャン二重コム構成を採用し、二重コムの拍動周波数を混合して時間領域の干渉縞を生成する。
• 干渉縞をフーリエ変換することで、超高分解能の広帯域光スペクトルを回復する。
• 連続的なチューニング中に位相および周波数安定性を維持するため、マイクロヒーターに基づく波長トラッカーを採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1台のレーザー光源を用いたチップスケールの二重コムシステムは、広帯域かつ超高分解能分光計測を実現できるか？
• RQ2 統合されたマイクロヒーターを用いて、37.5 THzの範囲を1チップ上で連続的かつ高精度にチューニングできるか？
• RQ3 全チューニング範囲にわたって、2つのマイクロコム間の高い相互コherencyを維持できるか？
• RQ4 二重コムアーキテクチャは、有効な分光チューニング速度をどの程度向上させるか？
• RQ5 本システムは、1メガヘルツ未満の精度で分子のオーバートーンバンドを解像できるか？

主な発見

• 本システムは、319 ± 4.6 kHzという分解能を達成し、チップスケールプラットフォームにおける超高分解能を実証した。
• 二重コムシステムは37.5 THzの光学帯域幅をカバーし、1台の1550-nm レーザーから300 nmの範囲をカバーした。
• 統合されたマイクロヒーターを用いて、全37.5 THzの範囲を高精度で連続チューニングした。
• H13C14Nの2.3 THz（18 nm）幅のオーバートーンバンドを高い忠実性とスペクトル詳細で解像した。
• 大量並列の混合により、二重コムアーキテクチャのおかげで有効分光チューニング速度が1桁向上した。
• チップスケール実装により、実用的でスケーラブルかつ安定したチップ内分光計測が可能となり、現地応用可能なセンシングへの応用が期待される。