[論文レビュー] An on-chip III-V-semiconductor-on-silicon laser frequency comb for gas-phase molecular spectroscopy in real-time

Kasper Van Gasse, Zaijun Chen+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、1.0 GHz繰返し周波数で1,400本のフラットトップコムラインを生成する、コンactで電流駆動可能なIII-V/Si上に形成された周波数コムを有する光集積回路を提案する。デュアルコム分光法を用いて、1 msでガス相分子分光法を実時間かつ高分解能（1 GHz）で実現し、CO中の12C/13Cの同素体分解能を達成した。これにより、ポータブル環境センシングシステムのウェーハスケール統合が可能になった。

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.

研究の動機と目的

• III-V/Siプラットフォーム上に完全に統合され、電流駆動可能な周波数コムを実現し、チップ内分光法を可能にする。
• 既存の超小型化コムに見られる、大きなライン間隔、少ないライン数、強度の不均一性、および低い光集積可能性の制限を克服する。
• デュアルコム技術を用いて、リアルタイムで高分解能かつマルチプレックス化されたガス相分子分光法を実現する。
• 環境および産業用センシングアプリケーションにおいて、分子ガス中の同素体比のミリ秒未塔検出を実証する。

提案手法

• 光集積回路上に低ノイズなIII-V/Si半導体レーザーの設計およびプロセス。
• 1.4 GHz繰返し周波数を持つ電流駆動型モードロックレーザー構造の実装により、周波数コムを生成。
• 波導内の分散および非線形性の正確な制御により、1,400本のコムラインにわたるフラットトップスペクトル応答を達成。
• わずかにずれた2番目のコムを用いたデュアルコム分光法の採用により、分子吸収特徴の高分解能でマルチプレックス化された検出を実現。
• COなどのガスの強力な振動・回転遷移をターゲットとする近赤外領域（約1.55 µm）での動作を採用。
• リアルタイムでのチップ内データ取得および処理を統合し、迅速なスペクトル解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に統合され、電流駆動可能なIII-V/Si上周波数コムが、1.0 GHz繰返し周波数で1,400本以上のコムラインを持つフラットトップスペクトルを達成できるか？
• RQ2 このチップベースコムを用いたデュアルコム分光法が、リアルタイムで高分解能（1 GHz）の分子検出を達成できるか？
• RQ3 このシステムが、1ミリ秒以内に12C/13Cの同素体比（CO中）を分解能で解像できるか？
• RQ4 このプラットフォームが、環境監視用にコンパクトでポータブルな分光計のウェーハスケール製造を可能にするか？
• RQ5 ライン数、スペクトルの平坦性、光集積可能性の観点から、このチップ内コムは既存の超小型化コムと比較してどの程度の性能を示すか？

主な発見

• チップは1.0 GHz繰返し周波数で1,400本のコムラインを持つフラットトップスペクトルを生成し、これは他の超小型化コム合成器では達成されていなかった性能水準である。
• デュアルコム分光法により、1 GHzの分解能で高分解能かつマルチプレックス化された分子スペクトルが記録された。
• CO中の12C/13Cの同素体分解能検出が、わずか1ミリ秒で達成された。
• システムは、5マイクロ秒までの統合時間でリアルタイム分光法を実現した。
• ウェーハスケールでの完全に統合された分光計ラボオンチップの製造が可能になる可能性を示した。
• 低位相ノイズおよび高スペクトル平坦性を示し、感度の高い正確な分子検出が可能になった。