[論文レビュー] Mid-infrared spectroscopy with a broadly tunable thin-film lithium niobate optical parametric oscillator

Alexander Y. Hwang, Hubert S. Stokowski+8 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 8

ひとこと要約

要するに：論文は、1.5–3.3 μmをカバーするコンパクトで広帯域に調整可能なオンチップ薄膜リチウムニオベート OPO を示し、3.2 μmで >25 mW の MIR 出力と 15% のオンチップ電力変換効率を達成し、メタンとアンモニアの分光を検証する。

ABSTRACT

Mid-infrared spectroscopy, an important and widespread technique for sensing molecules, has encountered barriers stemming from sources either limited in tuning range or excessively bulky for practical field use. We present a compact, efficient, and broadly tunable optical parametric oscillator (OPO) device surmounting these challenges. Leveraging a dispersion-engineered singly-resonant OPO implemented in thin-film lithium niobate-on-sapphire, we achieve broad and controlled tuning over an octave, from 1.5 to 3.3 microns by combining laser and temperature tuning. The device generates > 25 mW of mid-infrared light at 3.2 microns, offering a power conversion efficiency of 15% (45% quantum efficiency). We demonstrate the tuning and performance of the device by successfully measuring the spectra of methane and ammonia, verifying our approach's relevance for gas sensing. Our device signifies an important advance in nonlinear photonics miniaturization and brings practical field applications of high-speed and broadband mid-infrared spectroscopy closer to reality.

研究の動機と目的

• 中赤外分光を、コンパクトで広帯域調整可能な光源で進化させる。
• LN-on-sapphire 上で集積化された、ポンプ強化型の単共振 OPO を実証する。
• 温度とポンプ波長制御によるオクターブ調整を達成する。
• チップスケールの MIR 光源によるガス分光（メタンとアンモニア）を実証する。

提案手法

• 分散を設計した LN-on-sapphire 上の単共振 OPO 構成を持つフォトニック回路を設計する。
• ポンプを共振させず、シグナル共振腔を共振させ、イドラーを可変とする設計を行う。
• 温度とポンプ波長の調整を用いて 1.5–3.3 μm の広範な MIR カバーを達成する。
• 共振腔の Q 因子と結合を特性評価し、閾値、効率、出力を決定する。
• MIR イドラーをガスセルに送ってエネルギー保存則に基づく波長を較正することで分光を実証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全統合され窒素パルスがなく、広帯域 Octave 調整可能な MIR OPO がガス分光に適した周波数領域を提供できるか？
• RQ2 LN-on-sapphire 上のポンプ強化型単共振 OPO の出力電力、変換効率、スペクトル純度はどの程度か？
• RQ3 温度とポンプ調整は粗い・細かな MIR 調整性とスペクトル安定性にどう影響するか？
• RQ4 デバイスは HITRAN のメタン・アンモニア吸収特徴と分光計測のために正確にマッチさせられるか？
• RQ5 実用的な現場配備 MIR センシングに向けた改善点は何か？

主な発見

• ポンプ波長と温度調整を組み合わせることで 1.5–3.3 μm のオクターブ調整を実現した。
• チップ上の MIR イドラー出力は最大で 29 ± 3 mW、3.2 μm、オンチップ電力変換効率 15 ± 2%（量子効率 45%）を達成。
• 総 Q 因子が 1.3–1.6×10^6、固有/外部 Q がそれぞれ 1.35–1.7×10^6 および ~20×10^6 の高い信号キャビティ品質因子を観測。
• 3.184 μm付近のメタンスペクトルはドップラー分幅を持つ線形状で解像され、HITRAN データと一致し、10 pm/300 MHz/0.01 cm^-1 の分解能を示した。
• アンモニアスペクトルは共鳴 DF G で得られ、広帯域で等間隔の MIR 線を ~100 nm の帯域幅に渡って観測し、HITRAN 特徴と一致した。
• 結果は、結合効率の向上と将来的な電気光学調整により現場配備可能なオンチップ MIR 分光の可能性を示している。