[논문 리뷰] Mid-infrared spectroscopy with a broadly tunable thin-film lithium niobate optical parametric oscillator

Alexander Y. Hwang, Hubert S. Stokowski외 8명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 09.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 1.5–3.3 µm를 커버하는 컴팩트하고 광대역으로 조정 가능한 온칩 박막 리튬나이오베이트 OPO를 입증하며, 3.2 µm에서 >25 mW의 MIR 출력과 15%의 온칩 파워 변환 효율을 달성하고 메탄 및 암모니아 분광학을 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 컴팩트하고 광대역으로 조정 가능한 소스로 미드-적외선 분광학을 진전시키다.
• LN-on-sapphire에서 펌프 강화된 단일 공진 OPO를 통합적으로 시연하다.
• 온도와 펌프 파장 제어를 통해 옥타브 조정을 달성하다.
• 칩 규모의 MIR 소스를 이용한 가스 분광학(메탄 및 암모니아)을 시연하다.

제안 방법

• 분산 엔지니어링된 단일 공진 OPO 구성을 갖춘 LN-on-sapphire의 포토닉 회로를 설계하다.
• 펌프를 비공진으로 유지하고 아이들러를 조정 가능하게 하는 공진 신호 공동을 설계하다.
• 온도와 펌프 파장 튜닝을 사용하여 1.5에서 3.3 µm까지 넓은 MIR 범위를 달성하다.
• 임계치, 효율, 출력 파워를 결정하기 위해 공동 Q-요인과 커플링을 특성화하다.
• 에너지 보존을 이용해 파장을 보정하고 MIR 아이들러를 가스 셀로 보내 분광학을 시연하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 통합되고 좁은 펄스가 없는 MIR OPO가 가스 분광학에 적합한 옥타브 조정 가능한 커버리지를 제공할 수 있는가?
• RQ2 LN-on-sapphire에서 펌프 강화된 단일 공진 OPO의 달성 가능한 출력 파워, 변환 효율, 스펙트럴 순서는 무엇인가?
• RQ3 온도 및 펌프 튜닝이 거친 및 미세 MIR 조정 가능성과 스펙트럴 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 장치가 HITRAN 메탄 및 암모니아 흡수 특징과 정확히 일치하여 분광학에 사용할 수 있는가?
• RQ5 현장 배치를 위한 실용적 MIR 감지로 나아가기 위해 어떤 개선이 필요합니까?

주요 결과

• 펌프 파장과 온도 튜닝을 결합하여 1.5에서 3.3 µm까지의 옥타브 조정을 달성한다.
• 온칩 MIR 아이들러 출력은 3.2 µm에서 최대 29 ± 3 mW에 도달하며, 온칩 파워 변환 효율은 15 ± 2% (양자 효율 45%)이다.
• 신호-공진의 높은 Q 인자를 관찰했으며 총 Q는 1.3–1.6×10^6, 고유(intrinsic) Q는 1.35–1.7×10^6, 외부(extrinsic) Q는 약 20×10^6이다.
• 3.184 µm 근처의 메탄 분광은 도플러 확산 선모양으로 해상도 10 pm/300 MHz/0.01 cm^-1와 HITRAN 데이터와의 일치를 보이며 해결된다.
• 암모니아 분광은 공진 DFG를 통해 광대역이고 균등 간격의 MIR 선들을 약 100 nm 대역폭으로 얻어 HITRAN 특징과 일치한다.
• 결과는 향상된 커플링 효율과 향후 전자 광사이토 tuning으로 현장 적용 가능한 온칩 MIR 분광학의 가능성을 시사한다.