[论文解读] An integrated lithium-niobate electro-optic platform for spectrally tailored dual-comb spectroscopy

Amirhassan Shams‐Ansari, Mengjie Yu+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 11

一句话总结

该论文展示了一种紧凑、集成化的钽酸锂电光平台，实现了光谱可调谐的双梳光谱测量，单次测量中具有10 GHz分辨率（0.33 cm⁻¹）和1.6 THz带宽（53 cm⁻¹）。通过利用低损耗波导上的频率可调谐、相位锁定的电光梳，系统实现了相隔6.6 THz（220 cm⁻¹）的非相邻光谱区域的同步、高信噪比检测，展示了迄今为止全复用光子芯片光谱仪的最高分辨率。

ABSTRACT

A high-resolution broad-spectral-bandwidth spectrometer on a chip would create new opportunities for gas-phase molecular fingerprinting, especially in environmental sensing. A resolution high enough to observe transitions at atmospheric pressure and the simultaneous sensitive detection of multiple atoms or molecules are the key challenges. Here, an electro-optic microring-based dual-comb interferometer, fabricated on a low-loss lithium-niobate-on-insulator nanophotonic platform, demonstrates significant progress towards such an achievement. Spectra spanning 1.6 THz (53 cm-1) at a resolution of 10 GHz (0.33 cm-1) are obtained in a single measurement without requiring frequency scanning or moving parts. The frequency agility of the system enables spectrally-tailored multiplexed sensing, which allows for interrogation of non-adjacent spectral regions, here separated by 6.6 THz (220 cm-1), without compromising the signal-to-noise ratio.

研究动机与目标

• 开发一种片上光谱仪，具备高光谱分辨率和宽频带，用于气相分子指纹识别。
• 克服现有片上光谱仪在高分辨率、同时多组分检测方面存在的局限性。
• 通过允许独立探测非相邻光谱区域而不降低信噪比，实现光谱可调谐传感。
• 利用薄膜钽酸锂的低损耗和高非线性特性，在片上实现高性能电光频率梳。
• 展示一种完全集成、无活动部件、复用的光谱仪，具备直接原子钟频率校准和窄仪器线宽。

提出的方法

• 在低损耗钽酸锂绝缘体上（LNOI）平台制造的跑道形微腔中实现电光（EO）频率梳生成。
• 使用连续波激光器和调谐至自由光谱范围（FSR）的微波合成器驱动每个微腔，以实现共振增强的三波混频。
• 在X切钽酸锂晶体的y轴方向集成微波电极，以利用其大的r₃₃电光系数（30 pm/V）实现高效相位调制。
• 采用双梳配置，使用两个独立的EO梳源，每个均由独立的连续波激光器和微波信号驱动，频率偏移为0.1 MHz。
• 使用声光调制器对一个梳源进行频率移位，实现两个射频拍频谱之间的6.6 THz（220 cm⁻¹）光谱分离。
• 通过共享的微波驱动信号实现梳之间的相位锁定，确保相干性，并在无需活动部件的情况下实现高保真光谱重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 全集成的钽酸锂平台是否能在芯片上实现高分辨率、宽光谱带宽的双梳光谱测量？
• RQ2 在片上双梳系统中，如何实现光谱可调谐，以实现对非相邻分子跃迁的同步检测？
• RQ3 在无频率扫描或活动部件的情况下，复用式片上双梳光谱仪的最大光谱分辨率和带宽是多少？
• RQ4 当使用单个光电探测器探测光谱距离较远的区域时，信噪比是否能够保持不变？
• RQ5 电光梳的频率灵活性在多组分传感中能在多大程度上提升片上光谱仪的多功能性？

主要发现

• 系统实现了10 GHz（0.33 cm⁻¹）的光谱分辨率，为迄今报道的全复用光子芯片光谱仪中最高。
• 在单次采集中测得1.6 THz（53 cm⁻¹）的光谱带宽，无需频率扫描或活动部件。
• 系统实现了光谱可调谐的非相邻光谱区域探测，两个梳源相距6.6 THz（220 cm⁻¹），信噪比无下降。
• 测量光谱与HITRAN数据库之间的残差误差低于10%，标准偏差为3.4%，证实了高光谱保真度。
• 测得的转动-振动谱线的半高全宽（FWHM）平均为7.7 GHz，与高分辨率分子光谱一致。
• 该平台支持超过100个光谱区段，每个区段包含2000条梳线，展示了用于同步多组分检测的超强复用能力。