[논문 리뷰] Silicon-chip-based mid-infrared dual-comb spectroscopy

Mengjie Yu, Yoshitomo Okawachi외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 04.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 29인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 단일 연속파 펌프 레이저로부터 상호 간섭 가능한 두 개의 주파수 콤을 생성하는 CMOS 호환성 있는 실리콘 칩 기반 중적외선 이중 콤 분광계를 제시한다. 이는 고해상도, 실시간 액체의 진동 분광법을 가능하게 한다. 시스템은 평균 SNR가 6000를 초과하는 127-GHz(4.2-cm⁻¹) 스펙트럼 해상도를 달성하였으며, 2 µs의 측정 시간 내에 증명된 이론적 아세톤 흡수 스펙트럼을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실시간 고속도 분자 검출을 위한 칩 스케일, CMOS 호환성 중적외선 이중 콤 분광계를 개발하기 위해.
• 기존 중적외선 검출기의 한계를 극복하기 위해 단일 검출기와 동작 부품이 없는 이중 콤 간섭측정 기술을 사용하기 위해.
• 실리콘 마이크로레조너를 이용해 액체 및 응축상의 고감도 광역 진동 분광법을 실현하기 위해.
• 단일 연속파 펌프와 칩 내부의 열 및 캐리어 제어를 통해 고신호 대 잡음비와 고해상도를 달성하기 위해.
• 화학, 생의학 및 산업 공정 제어 분야에서의 응용을 위한 칩 내부 이중 콤 분광법의 실현 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 100-µm 반경의 두 개의 분산 설계된 실리콘 마이크로레조너가 단일 3-µm 연속파 광학 주기성 발진기로 펌프되어 상호 간섭 가능한 두 개의 주파수 콤을 생성한다.
• 열 테이닝은 열전소자와, 자유전자 주입은 반전편향된 PIN 다이오드를 통해 수행되어 콤 반복 주파수와 모드 잠금을 독립적으로 제어할 수 있다.
• 두 콤은 2.6–4.1 µm 범위를 커버하며 127-GHz 간격을 가지며, 그 비트노트는 250-MHz 대역폭 광검출기와 RF 스펙트럼 분석기로 측정된다.
• 밴드패스 필터를 갖춘 双-팔다리 간섭계는 펌프의 장파장 및 단파장 측면을 모두 접근 가능하게 하여 투과도 및 흡수도를 동시에 측정할 수 있다.
• 25.6-ns 반복 주기로 시간 영역 간섭도를 기록하고, 푸리에 변환을 통해 39-MHz 간격의 콤 선과 0.5-MHz의 선폭을 갖는 RF 스펙트럼을 도출한다.
• 1-GHz 광검출기를 사용해 2 µs 내에 스펙트럼 데이터를 확보하며, 시료가 존재할 때와 없을 때의 스펙트럼 비율을 통해 투과도를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 연속파 펌프 레이저가 실리콘 칩에서 이중 콤 분광법을 위해 상호 간섭 가능한 두 개의 중적외선 주파수 콤을 생성할 수 있는가?
• RQ2 액체상 분자 흡수에 대해 칩 기반 이중 콤 시스템에서 달성 가능한 스펙트럼 해상도와 신호 대 잡음비는 무엇인가?
• RQ3 칩 내부의 열 및 캐리어 제어는 콤 파arameter의 독립적 조정과 안정된 모드 잠금을 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ4 시스템은 고속도 및 고감도로 실시간 광역 진동 분광법을 통해 액체의 분광 측정을 수행할 수 있는가?
• RQ5 기존의 자유공간 간섭계 설계의 장기적 안정성과 이중 콤 측정에서의 잡음 측면에서의 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 시스템은 2 µs 측정 시간 내에 127-GHz(4.2-cm⁻¹) 스펙트럼 해상도를 달성하여 액체 아세톤의 실시간 분광 측정이 가능하다.
• 평균 신호 대 잡음비(SNR)는 6000를 초과하며, 단위 시간당 SNR는 4 × 10⁶ s⁻¹/²이며, SNR와 스펙트럼 요소의 곱은 10⁸ s⁻¹/²를 초과한다.
• RF 스펙트럼은 39-MHz 간격으로 30개의 해상도 있는 콩선을 보이며, 선폭은 0.5 MHz로 2-µs 기록 창에 의해 제한된다.
• 칩 기반 시스템으로 측정한 아세톤 흡수 스펙트럼은 고해상도 FTIR(Bruker Vertex 70) 기준값과 합리적인 일치를 보였지만, 시간적 드리프트로 인해 고투과도 측면에서 SNR가 낮아(25)지는 편이다.
• 시스템은 127-GHz 해상도에서 42-THz 대역폭을 달성할 잠재력을 보이며, 리프레시 시간이 0.3 µs로 가장 빠른 M-FT 간섭계의 13-µs 리프레시 주기보다 뛰어나다.
• 흡수 스펙트럼의 기준선 잡음은 주로 기계적 진동과 환경적 드리프트에서 기인하며, 이는 참조 및 시료 스펙트럼을 동시에 측정함으로써 보완할 수 있다.