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Monolithically integrated silicon photonic chip sensor for near-infrared trace-gas spectroscopy

材料科学 光电子学 分光计 激光器 光电二极管 硅光子学 光学 可调谐激光器 光子集成电路 光子学 炸薯条 波导管 波长 物理 电气工程 工程类
作者
Eric Zhang,Yves Martin,Jason S. Orcutt,Chi Xiong,Martin Glodde,Nathan Marchack,Elizabeth A. Duch,Tymon Barwicz,Laurent Schares,William M. Green
标识
DOI:10.1117/12.2519206
摘要

We present a fully integrated photonic chip spectrometer for near-infrared tunable diode laser absorption spectroscopy of methane (CH4). The integrated photonic sensor incorporates a heterogeneously integrated III-V laser/detector chip coupled to a silicon external cavity for broadband tuning, and a long waveguide element (>20 cm) for ambient methane sensing. An on-chip sealed CH4 reference cell is utilized for in-situ wavelength calibration of the external cavity, and a real-time wavelength compensation method for laser calibration is described and demonstrated. The resulting signal is guided back to the III-V photodiodes for spectral signal readout using a custom-designed acquisition board, remotely controlled and operated by a Raspberry Pi unit. Component-level testing of the waveguide sensitivity, external cavity laser, and reference cell is demonstrated. Full-stack testing of the integrated sensor chip yields sub-100 ppmv∙Hz-1/2 sensitivity, and spectral density analysis demonstrates our integrated chip sensor to have a fundamental performance within an order of magnitude of commercially available fiber-pigtailed DFB laser units. We envision our integrated photonic chip sensors to provide disruptive capability in SWaP-C (size, weight, power, and cost) limited applications, and we describe an achievable short-term pathway towards sensitivity enhancement to near-10 ppmv levels.
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