[논문 리뷰] Broadband Ultrahigh-Resolution chip-scale Scanning Soliton Dual-Comb Spectroscopy

Tong Lin, Avik Dutt외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 03.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 37인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 단일 1550-nm 레이저에서 출발하여 37 THz에 이르는 스펙트럼을 커버하는 고상관성 마이크로콤을 생성하기 위해 실리카 질화물 미크로링 공진기를 사용하는 칩스케일 스캐닝 듀얼콤 스펙트로스코피 시스템을 제시한다. 마이크로히터 기반 파장 추적을 통합함으로써 시스템은 37.5 THz에 걸쳐 연속적인 튜닝을 실현하였으며, 초고해상도 319 ± 4.6 kHz를 달성하여 H13C14N의 광범위하고 다량의 병렬 분자 흡수 스펙트로스코피를 가능하게 하였고, 이로 인해 유효 튜닝 속도가 10배 향상되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 광범위하고 초고해상도 스펙트로스코피를 위한 컴act하고 칩 통합 플랫폼을 개발하기 위해.
• 기존 듀얼콤 시스템의 한계를 극복하기 위해 단일 칩에서 연속적이고 정밀한 파장 튜닝을 가능하게 하기 위해.
• 단일 레이저 소스와 미크로링 공진기를 사용하여 고해상도 스펙트럼 해상도와 넓은 튜닝 범위를 달성하기 위해.
• 향상된 스펙트로스코픽 튜닝 속도를 위해 다량의 병렬 하이터로딩을 실현하기 위해.
• 분자 감지에 적용 가능한 실용적이고 확장 가능한 칩 내 광학 센서를 실현하기 위해.

제안 방법

• 단일 1550-nm 레이저에서 두 개의 단일 솔리톤 마이크로콤을 생성하기 위해 실리카 질화물(Si3N4) 미크로링 공진기를 사용한다.
• 마이크로히터를 통합하여 레이저 주파수와 솔리톤 상태를 미크로링의 전체 자유 스펙트럴 범위에 걸쳐 동시에 활성 튜닝한다.
• 레이저 주파수와 솔리톤 주파수 튜닝을 동기화시켜 두 마이크로콤 간의 고상관성을 확보한다.
• 스캐닝 듀얼콤 구성에서 듀얼콤 비트 노트를 하이터로딩하여 타임 도메인 인터퍼로그램을 생성한다.
• 인터퍼로그램의 푸리에 변환을 통해 초고해상도의 광범위한 온도 스펙트럼을 복원한다.
• 지속적인 튜닝 중 위상과 주파수 안정성을 유지하기 위해 마이크로히터 기반 파장 추적기를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 레이저 소스를 사용하여 칩스케일 듀얼콤 시스템이 광범위하고 초고해상도 스펙트로스코피를 실현할 수 있는가?
• RQ2 통합 마이크로히터를 사용하여 칩 내에서 37.5 THz 범위에 걸쳐 연속적이고 정밀한 튜닝을 실현할 수 있는가?
• RQ3 전체 튜닝 범위 동안 두 마이크로콤 간의 고상관성을 유지할 수 있는가?
• RQ4 듀얼콤 아키텍처는 유효 스펙트로스코픽 튜닝 속도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 시스템은 메가헤르츠 이하 정밀도로 분자 옵티컬 밴드를 해상할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 319 ± 4.6 kHz의 스펙트럼 해상도를 확보하여 칩스케일 플랫폼에서 초고해상도를 입증하였다.
• 듀얼콤 시스템은 37.5 THz의 광대역 스펙트럼을 커버하며, 단일 1550-nm 레이저에서 300 nm 범위를 포괄한다.
• 통합 마이크로히터를 사용하여 전체 37.5 THz 튜닝 범위에서 고정밀도 연속 튜닝을 실현하였다.
• 시스템은 H13C14N의 2.3 THz(18 nm) 폭의 옵티컬 밴드를 고정밀도로 해상하고 스펙트럼 세부 정보를 잘 유지하였다.
• 다량의 병렬 하이터로딩 덕분에 듀얼콤 아키텍처로 인해 유효 스펙트로스코픽 튜닝 속도가 10배 향상되었다.
• 칩스케일 구현은 실용적이고 확장 가능하며 안정적인 칩 내 스펙트로스코피를 가능하게 하였으며, 현장 적용 가능한 센서 개발에 잠재력을 지닌다.