Две гребёнки на InP-чипе прошли между зубцами и увидели спектр чаще

На InP-чипе стоят два однонаправленных квантово-каскадных лазера в форме беговой дорожки. Их свет соединяется ещё внутри кристалла и выходит одним волноводом. Исследователи меняли токи лазеров и одновременно подстраивали RF-возбуждение: за 180 положений обе частотные гребёнки прошли один собственный интервал резонатора, 14.33 ГГц. Между изначально редкими зубцами появились отсчёты через 79.6 МГц.

Это именно эффективный шаг спектральной выборки после сканирования, а не оптическое разрешение прибора. Но трюк красив именно своей геометрией. Частотная гребёнка похожа на линейку, у которой деления расставлены слишком широко для тонких спектральных линий молекулы. Уменьшить расстояние между делениями можно длинным резонатором: частота обхода в нём ниже. Для интегрального mid-IR прибора длинный путь быстро превращается в неудобную площадь, потери и сложную топологию волноводов. Здесь линейку не уплотняли. Её сдвигали много раз на доли деления.

Обе гребёнки принудительно формируются RF-сигналом около частоты обхода резонатора. Частота межмодового интервала каждого лазера равна 14.33 ГГц, а небольшая разность между ними, 8–11 МГц, переводит оптическое биение в радиочастотный диапазон, доступный быстрому детектору и осциллографу. На каждую позицию сканирования записывали 500 мкс dual-comb-сигнала; полный проход из 180 точек занимал около 90 мс.

Так авторы исследовали поглощение 1.25% закиси азота N₂O в воздухе в 13-сантиметровой ячейке. Охвачена область 1268–1300 см⁻¹, или 32 см⁻¹ около 8 мкм. Полученная форма полос согласуется с расчётом по HITRAN, параметры которого сверили независимым FTIR-измерением той же ячейки. Сканирование позволило увидеть примерно 20-ГГц интерференционные полосы эталона; трасса с внешним перестраиваемым лазером в этой установке их не разрешила из-за скачков мод и эффективного разрешения порядка 50 ГГц.

Есть и важная деталь конструкции. Лазеры сделаны однонаправленными, чтобы отражённый от образца свет не запускал конкурирующее встречное распространение в резонаторе. Перед выходом специально поставили светоделитель с отражением около 50% и усилили обратную засветку. Возникали слабые колебания, однако гребёнчатый режим не разрушался и скачков мод не было. Для газового спектрометра это существенная проверка: окно кюветы, линза или сам образец неизбежно возвращают часть света обратно в источник.

До автономного сенсора здесь далеко: чипу нужны внешние источники постоянного тока и 14-ГГц RF, усилитель, термоэлектрическое охлаждение, коллиматор, детекторы и внешняя газовая ячейка. Измеренный спектр также ограничен шириной зубцов обеих гребёнок, через образец проходят оба источника. Однако сама архитектурная идея уже собрана в железе: два компактных лазера и их оптический сумматор выросли на одном InP-кристалле, а недостающая плотность спектральной шкалы появилась во времени.