[论文解读] Broadband Ultrahigh-Resolution chip-scale Scanning Soliton Dual-Comb Spectroscopy

Tong Lin, Avik Dutt+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 37被引用 14

一句话总结

本文提出一种基于氮化硅微环谐振器的芯片级扫描双梳光谱系统，利用单一1550-nm激光器生成两个覆盖37 THz带宽的高相干性微梳。通过集成微加热器实现波长追踪，系统实现了37.5 THz的连续调谐，光谱分辨率高达319 ± 4.6 kHz，实现了对H13C14N的宽带、大规模并行分子吸收光谱测量，有效调谐速度提升十倍。

ABSTRACT

We present a chip-scale scanning dual-comb spectroscopy (SDCS) approach for broadband ultrahigh-resolution spectral acquisition. SDCS uses Si3N4 microring resonators that generate two single soliton micro-combs spanning 37 THz (300 nm) on the same chip from a single 1550-nm laser, forming a high-mutual-coherence dual-comb. We realize continuous tuning of the dual-comb system over the entire optical span of 37.5 THz with high precision using integrated microheater-based wavelength trackers. This continuous wavelength tuning is enabled by simultaneous tuning of the laser frequency and the two single soliton micro-combs over a full free spectral range of the microrings. We measure the SDCS resolution to be 319+-4.6 kHz. Using this SDCS system, we perform the molecular absorption spectroscopy of H13C14N over its 2.3 THz (18 nm)-wide overtone band, and show that the massively parallel heterodyning offered by the dual-comb expands the effective spectroscopic tuning speed of the laser by one order of magnitude. Our chip-scale SDCS opens the door to broadband spectrometry and massively parallel sensing with ultrahigh spectral resolution.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、芯片集成的宽带、超高分辨率光谱平台。
• 通过在单芯片上实现连续、精确的波长调谐，克服传统双梳系统的技术局限。
• 仅使用单一激光源和微环谐振器，实现高光谱分辨率与宽调谐范围。
• 通过大规模并行混频技术，显著提升光谱调谐速度。
• 实现面向分子检测应用的实用化、可扩展的芯片级光学传感。

提出的方法

• 利用氮化硅（Si3N4）微环谐振器，从单一1550-nm激光器生成两个单孤子微梳。
• 采用集成微加热器，同时主动调谐激光频率和微梳态，覆盖微环谐振器的整个自由光谱范围。
• 通过同步激光与微梳频率调谐，实现两路微梳之间的高互相干性。
• 采用扫描双梳配置，将双梳拍频信号混频生成时域干涉图样。
• 通过对干涉图样进行傅里叶变换，实现超高的宽带光学光谱获取。
• 采用基于微加热器的波长追踪技术，在连续调谐过程中保持相位与频率稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 芯片级双梳系统能否仅使用单一激光源实现宽带、超高分辨率光谱测量？
• RQ2 能否通过集成微加热器在芯片上实现37.5 THz范围内的连续、精确调谐？
• RQ3 系统能否在整个调谐范围内保持两路微梳之间的高互相干性？
• RQ4 双梳架构在多大程度上提升了有效光谱调谐速度？
• RQ5 系统能否以亚兆赫量级的精度分辨分子倍频带？

主要发现

• 系统实现319 ± 4.6 kHz的光谱分辨率，证明了在芯片级平台上实现超高分辨率的可行性。
• 双梳系统覆盖37.5 THz的光学带宽，从单一1550-nm激光器实现300 nm的波段覆盖。
• 通过集成微加热器，实现了对全37.5 THz调谐范围的高精度连续调谐。
• 系统以高保真度和精细光谱细节分辨了H13C14N的2.3 THz（18 nm）宽倍频带。
• 由于大规模并行混频，双梳架构使有效光谱调谐速度提升一个数量级。
• 芯片级实现使系统具备实用化、可扩展且稳定的芯片级光谱测量能力，具有现场部署传感的潜力。