[論文レビュー] Silicon-chip-based mid-infrared dual-comb spectroscopy

Mengjie Yu, Yoshitomo Okawachi+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 29被引用数 15

ひとこと要約

本論文では、1つの連続波ポンプレーザーから二つの相互にコherentな周波数コンブを生成する、CMOS準拠のシリコンチップベースの中赤外線デュアルコム分光器を提案する。これにより、液体の高分解能・リアルタイム赤外吸収分光測定が可能となる。システムは127-GHz（4.2-cm⁻¹）のスペクトル分解能を達成し、平均SNRが6000を超える。2 µsの測定時間でプロトタイプのアセトン吸収スペクトルを実証した。

ABSTRACT

On-chip spectroscopy that could realize real-time fingerprinting with label-free and high-throughput detection of trace molecules is one of the 'holy grails" of sensing. Such miniaturized spectrometers would greatly enable applications in chemistry, bio-medicine, material science or space instrumentation, such as hyperspectral microscopy of live cells or pharmaceutical quality control. Dual-comb spectroscopy (DCS), a recent technique of Fourier transform spectroscopy without moving parts, is particularly promising since it measures high-precision spectra in the gas phase using only a single detector. Here, we present a microresonator-based platform designed for mid-infrared (mid-IR) DCS. A single continuous-wave (CW) low-power pump source generates two mutually coherent mode-locked frequency combs spanning from 2.6 $μ$m to 4.1 $μ$m in two silicon micro-resonators. Thermal control and free-carrier injection control modelocking of each comb and tune the dual-comb parameters. The large line spacing of the combs (127 GHz) and its precise tuning over tens of MHz, unique features of chip-scale comb generators, are exploited for a proof-of-principle experiment of vibrational absorption DCS in the liquid phase, with spectra of acetone spanning from 2870 nm to 3170 nm at 127-GHz (4.2-cm$^{-1}$) resolution. We take a significant step towards a broadband, mid-IR spectroscopy instrument on a chip. With further system development, our concept holds promise for real-time and time-resolved spectral acquisition on the nanosecond time scale.

研究の動機と目的

• リアルタイム・ハイアウトレット分子検出を実現するチップスケールでCMOS準拠の中赤外線デュアルコム分光器の開発を目的とする。
• 従来の中赤外線検出器の限界を克服するため、1つの検出器と可動部品なしにデュアルコム干渉計を用いる。
• シリコンマイクロレゾネータを用いて、液体および凝縮相の高感度・広帯域赤外振動分光測定を可能にする。
• 1つの連続波ポンプとオンチップ熱制御・キャリア制御を用いて、高SNRおよび高スペクトル分解能を達成する。
• 化学、バイオメディスン、産業プロセス制御分野への応用を想定した、オンチップデュアルコム分光測定の実現可能性を示す。

提案手法

• 1つの3-µm連続波光パラメトリック発振器により駆動される、2つの分散設計済みシリコンマイクロレゾネータ（100-µm半径）が、二つの相互にコherentな周波数コンブを生成する。
• 熱チューニングは熱電冷却素子を、キャリア注入は逆バイアスされたPINダイオードを用いて行い、コンブ繰返し周波数とモードロックの独立制御を実現する。
• コンブは2.6–4.1 µmをカバーし、127-GHzのライン間隔を持つ。それらのビートノートは250-MHz帯域幅のフォトディテクタとRFスペクトルアナライザで検出される。
• バンドパスフィルタを備えたデュアルアーム干渉計により、ポンプの長波長および短波長側を同時に測定可能であり、透過率と吸収率の両方を測定可能である。
• 25.6-ns繰返し周期で時間領域干渉縞が記録され、フーリエ変換により39-MHzのコンブライン間隔と0.5-MHzの線幅を持つRFスペクトルが得られる。
• 1-GHzフォトディテクタを用いて2 µsでスペクトルデータを取得し、透過率はサンプルありとなしのスペクトル比として計算される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの連続波ポンプレーザーが、シリコンチップ上でのデュアルコム分光測定に適した二つの相互にコherentな中赤外周波数コンブを生成可能か？
• RQ2 液体相分子吸収に対して、チップベースのデュアルコムシステムで達成可能なスペクトル分解能とSNRは何か？
• RQ3 オンチップ熱制御およびキャリア制御により、コンブパラメータの独立チューニングと安定なモードロックが可能になる仕組みは何か？
• RQ4 高スルーレート・高感度で、リアルタイムかつ広帯域赤外振動分光測定が液体に対して可能か？
• RQ5 現在の自由空間干渉計設計における、長期的安定性およびデュアルコム測定におけるノイズの制限要因は何か？

主な発見

• 2 µsの測定時間で127-GHz（4.2-cm⁻¹）のスペクトル分解能を達成し、液体アセトンのリアルタイム分光測定を可能にした。
• 平均SNRは6000を超える。時間当たりSNRは4 × 10⁶ s⁻¹/²であり、SNRとスペクトル要素の積は10⁸ s⁻¹/²を超える。
• RFスペクトルには39-MHz間隔で30本の解像されたコンブラインが観測され、線幅は0.5 MHzであり、2-µs記録窓に起因する制限を受けている。
• チップベースシステムで測定したアセトン吸収スペクトルは、高分解能FTIR（Bruker Vertex 70）の基準と合理的に一致するが、時間的ドリフトのため高透過率領域のSNRは低く（25）にとどまる。
• 0.3 µsのリフレッシュ時間で42-THz帯域幅を127-GHz分解能で達成可能であり、最速のM-FT干渉計（13-µsリフレッシュレート）を上回る。
• 吸収スペクトルのベースラインノイズは主に機械的振動および環境的ドリフトに起因し、同時に参照とサンプルのスペクトルを測定することで低減可能である。