[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一种紧凑型、电泵浦的III-V族/硅基光子芯片频率梳，可在1.0 GHz重复频率下生成1,400条平坦顶部的梳状线。利用双梳光谱技术，仅需1 ms即可实现对气体相分子光谱的实时、高分辨率（1 GHz）检测，并实现CO中12C/13C同位素的分辨检测，为可实现晶圆级集成的便携式环境监测系统提供了支持。

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.

研究动机与目标

• 开发一种完全集成的、电泵浦的III-V族/硅基平台频率梳，用于片上光谱分析。
• 克服现有超小型化频率梳的局限性，如线间距过大、线数过少、强度非均匀性以及光子集成性差等问题。
• 利用双梳技术实现实时、高分辨率、多路复用的气相分子光谱分析。
• 展示在分子气体中实现亚毫秒级同位素比值检测，适用于环境与工业传感应用。

提出的方法

• 设计并制造了一种低噪声的III-V族/硅基半导体激光器，集成于光子集成电路中。
• 实现电泵浦、锁模激光器架构，生成重复频率为1.4 GHz的频率梳。
• 通过精确控制波导中的色散与非线性特性，实现1,400条梳状线的平坦顶部光谱响应。
• 采用第二个体系、稍有频移的梳进行双梳光谱测量，以实现高分辨率、多路复用的分子吸收特征检测。
• 采用近红外工作波段（约1.55 µm），以靶向CO等气体中的强转动-振动跃迁。
• 实现系统级集成，支持实时片上数据采集与处理，以实现快速光谱分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 全集成电泵浦III-V族/硅基频率梳能否在1.0 GHz重复频率下实现超过1,400条梳状线的平坦顶部光谱响应？
• RQ2 基于该芯片频率梳的双梳光谱技术能否实现实时、高分辨率（1 GHz）分子检测？
• RQ3 该系统能否在1毫秒内分辨同位素比值，如CO中的12C/13C？
• RQ4 该平台能否实现晶圆级制造，用于紧凑型、便携式光谱分析系统的开发？
• RQ5 与现有超小型化频率梳相比，该片上频率梳在线数、光谱平坦度和光子集成性方面表现如何？

主要发现

• 该芯片在1.0 GHz重复频率下生成了具有1,400条梳状线的平坦顶部光谱，其性能水平在以往的超小型化频率梳合成器中尚未实现。
• 通过双梳光谱技术，实现了1 GHz分辨率的高分辨率、多路复用分子光谱记录。
• 在仅1毫秒内即实现了CO中12C/13C的同位素分辨检测。
• 系统实现了实时光谱分析，最短积分时间可达5微秒。
• 该平台具备实现完整、全集成“片上实验室”级光谱仪晶圆级制造的潜力。
• 该器件表现出低相位噪声与高光谱平坦度，支持高灵敏度、高精度的分子检测。