[논문 리뷰] An on-chip III-V-semiconductor-on-silicon laser frequency comb for gas-phase molecular spectroscopy in real-time

Kasper Van Gasse, Zaijun Chen외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 26.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 1.0 GHz 반복 주파수에서 1,400개의 평탄한 톱니형 조합선을 생성하는 밀도가 높고 전기로 구동되는 III-V-온-실리콘 주파수 조합을 광학 집적 회로에 구현한 것을 제시한다. 双조합 스펙트로스코피를 이용하여 1 ms 이내에 실시간으로 고해상도(1 GHz) 기체상 분자 스펙트로스코피를 수행하고, CO에서 12C/13C 이소토프 분석을 가능하게 하여 웨이퍼 스케일 통합을 통해 이식 가능한 환경 감지 시스템을 실현한다.

ABSTRACT

Frequency combs, spectra of evenly-spaced narrow phase-coherent laser lines, have revolutionized precision measurements. On-chip frequency comb generators hold much promise for fully-integrated instruments of time and frequency metrology. While outstanding developments are being reported with Kerr, quantum cascade and microring electro-optic combs, the field of high-resolution multiplexed gas-phase spectroscopy has remained inaccessible to such devices, because of their large line spacing, their small number of usable comb lines, the intensity variations between their comb lines, and their limited photonic integrability. Here we identify a path to broadband gas-phase spectroscopy on a chip. We design a low-noise III-V-on-silicon comb generator on a photonic chip, that emits a flat-top spectrum of 1400 lines at a repetition frequency of 1.0 GHz, a feature never approached by other ultra-miniaturized comb synthesizers. With dual-comb spectroscopy, our near-infrared electrically-pumped laser records high-resolution (1 GHz) sensitive multiplexed spectra with resolved comb lines, in times as short as 5 microseconds. Isotope-resolved 12C/13C detection in carbon monoxide is performed within 1 millisecond. With further developments, entire high-resolution spectroscopy laboratories-on-a-chip may be manufactured at the wafer scale. In environmental sensing, broad networks of spectrometers could be densely field-deployed to simultaneously monitor, in real time, sources and sinks of greenhouse gases, industrial pollution or noxious emissions of motor vehicles.

연구 동기 및 목표

• III-V-온-실리콘 플랫폼에서 완전히 통합된 전기로 구동되는 주파수 조합을 개발하여 칩 내 스펙트로스코피를 실현한다.
• 기존 초소형 조합기의 한계인 넓은 선 간격, 낮은 선 수, 강도 비균일성, 낮은 광학 통합성 문제를 해결한다.
• 이중조합 기술을 활용하여 실시간으로 고해상도, 다중 스펙트럼 기반의 기체상 분자 스펙트로스코피를 실현한다.
• 환경 및 산업 센싱 애플리케이션을 위해 분자 기체의 이소토프 비율을 밀리초 이내에 검출할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 광학 집적 회로에 저잡음 III-V-온-실리콘 반도체 레이저의 설계 및 제작.
• 1.4 GHz 반복 주파수를 갖는 전기로 구동되는 모드 잠금 레이저 아키텍처를 구현하여 주파수 조합을 생성한다.
• 파이버의 분산과 비선형성을 정밀하게 제어하여 1,400개의 조합선에 걸쳐 평탄한 스펙트럼 응답을 달성한다.
• 두 번째 조합선을 약간 이격시켜 사용함으로써 고해상도, 다중 스펙트럼 검출이 가능한 이중조합 스펙트로스코피를 구현한다.
• CO와 같은 기체에서 강한 진동-회전 전이를 타겟으로 하기 위해 근적외선 영역(약 1.55 µm)에서 작동한다.
• 실시간 칩 내 데이터 수집 및 처리를 위한 통합 시스템을 구현하여 신속한 스펙트럼 분석을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 통합된 전기로 구동되는 III-V-온-실리콘 주파수 조합이 1.0 GHz 반복 주파수에서 1,400개 이상의 조합선을 갖는 평탄한 톱니형 스펙트럼을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이 칩 기반 조합선을 사용한 이중조합 스펙트로스코피가 실시간으로 고해상도(1 GHz) 분자 검출을 가능하게 하는가?
• RQ3 이 시스템은 1밀리초 이내에 탄소 모노옥사이드의 12C/13C 이소토프 비율을 해상할 수 있는가?
• RQ4 이 플랫폼은 환경 모니터링을 위한 소형 이식형 스펙트로스코피 시스템의 웨이퍼 스케일 제조를 가능하게 하는가?
• RQ5 선 수, 스펙트럼 평탄성, 광학 통합성 측면에서 기존 초소형 조합기와 비교해 이 칩 기반 조합기의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 칩은 1.0 GHz 반복 주파수에서 1,400개의 조합선을 갖는 평탄한 톱니형 스펙트럼을 생성하며, 이는 이전에 초소형 조합기 합성기에서 달성하지 못한 성능 수준이다.
• 이중조합 스펙트로스코피를 통해 1 GHz 해상도로 고해상도, 다중 스펙트럼 기반의 분자 스펙트럼을 기록하였다.
• 탄소 모노옥사이드에서 12C/13C 이소토프 분석이 최소 1밀리초 이내에 달성되었다.
• 시스템은 최소 5 마이크로초의 통합 시간으로 실시간 스펙트로스코피를 구현하였다.
• 완전히 통합된 스펙트로스코피 실험실-온-칩을 위한 웨이퍼 스케일 제조의 잠재력이 입증되었다.
• 장치는 저위상 잡음과 높은 스펙트럼 평탄성을 보이며, 민감하고 정확한 분자 검출이 가능하다.