[论文解读] Silicon-chip-based mid-infrared dual-comb spectroscopy

Mengjie Yu, Yoshitomo Okawachi+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 4, 2016

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 29被引用 15

一句话总结

该论文提出了一种基于CMOS兼容硅基芯片的中红外双梳光谱仪，利用单一连续波泵浦激光器生成两个相互相干的频率梳，实现了对液体的高分辨率、实时振动吸收光谱分析。该系统在2 µs的采集时间内实现了127-GHz（4.2-cm⁻¹）的光谱分辨率，平均信噪比（SNR）超过6000，成功演示了对丙酮的原理验证吸收光谱。

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.

研究动机与目标

• 开发一种芯片级、CMOS兼容的中红外双梳光谱仪，用于实时、高通量的分子检测。
• 通过使用单个探测器和无活动部件的双梳干涉技术，克服传统中红外探测器的局限性。
• 利用硅微谐振腔实现对液体和凝聚相的高灵敏度、宽带振动光谱分析。
• 通过单一连续波泵浦激光器及片上热控与载流子控制，实现高信噪比和高光谱分辨率。
• 证明片上双梳光谱技术在化学、生物医学和工业过程控制等应用中的可行性。

提出的方法

• 两个色散工程设计的硅微谐振腔（半径100-µm）由单一3-µm连续波光学参量振荡器泵浦，生成两个相互相干的频率梳。
• 通过热电冷却器进行热调谐，以及通过反向偏置PIN二极管注入自由载流子，实现对梳重复频率和锁模状态的独立控制。
• 频率梳覆盖2.6–4.1 µm波段，线间距为127-GHz，其拍频信号通过带宽250-MHz的光电探测器和射频谱分析仪检测。
• 采用双臂干涉仪并结合带通滤波器，同时获取泵浦光的长波和短波段响应，实现透射率与吸光度的同步测量。
• 在25.6-ns重复周期下记录时域干涉图，经傅里叶变换后得到射频光谱，其梳线间距为39-MHz，线宽为0.5-MHz。
• 使用1-GHz光电探测器在2 µs内采集光谱数据，透射率通过有无样品时光谱的比值计算得出。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一连续波泵浦激光器是否能在硅基芯片上生成两个相互相干的中红外频率梳，以实现双梳光谱？
• RQ2 在芯片级双梳系统中，对液相分子吸收实现的光谱分辨率和信噪比可达到何种水平？
• RQ3 片上热控与载流子控制如何实现对梳参数的独立调谐并维持稳定的锁模？
• RQ4 该系统能否实现对液体的实时、宽带振动光谱分析，具备高采样速度和高灵敏度？
• RQ5 当前自由空间干涉仪设计在双梳测量中的长期稳定性和噪声方面存在哪些局限性？

主要发现

• 系统在2 µs采集时间内实现了127-GHz（4.2-cm⁻¹）的光谱分辨率，实现了对液态丙酮的实时光谱分析。
• 平均信噪比（SNR）超过6000，单位时间信噪比达4 × 10⁶ s⁻¹/²，信噪比与光谱元素的乘积超过10⁸ s⁻¹/²。
• 射频光谱显示30条可分辨的梳线，线间距为39-MHz，线宽为0.5-MHz，受限于2-µs记录窗口。
• 使用芯片系统测得的丙酮吸收光谱与高分辨率FTIR（Bruker Vertex 70）参考光谱基本一致，但高透射率区域信噪比较低（25），主要由于时间漂移所致。
• 系统展示了在127-GHz分辨率下实现42-THz带宽、刷新时间仅0.3 µs的潜力，优于最快M-FT干涉仪的13-µs刷新率。
• 吸收光谱中的基线噪声主要源于机械振动和环境漂移，可通过同时测量参考与样品光谱来有效抑制。