Interband cascade (IC) laser structures offer attractive potential for operation at room temperature as both broadband coherent sources of mid-infrared light and fast photodetectors. This makes the realization of extremely compact spectrometers on a monolithic platform possible, and even dual-comb spectroscopy (DCS) configurations. IC comb devices are perfect candidates for this configuration, since they develop near-THz-wide optical frequency comb spectra from a millimeter-sized cavity, using a multi-stage structure that can also function as a very fast photodetector. In this work, we leverage IC photodetectors with a gigahertz bandwidth to demonstrate a self-contained, free-running, room-temperature DCS system in the mid-infrared. The DCS system used detection by the same bi-functional IC device structure to measure 1,1-difluoroethane over ∼600 GHz of optical coverage around 3.6 µm. These results show that the IC platform is suitable for full integration as a broadband, high-resolution on-chip spectrometer in a future chemical sensing system.

1.
R. N.
Clark
and
T. L.
Roush
,
J. Geophys.
89
,
6329
6340
(
1984
).
2.
R.
Boushel
and
C.
Piantadosi
,
Acta Physiol. Scand.
168
,
615
622
(
2000
).
3.
J.
Luypaert
,
D.
Massart
, and
Y.
Vander Heyden
,
Talanta
72
,
865
883
(
2007
).
4.
R. N.
Bracewell
and
R. H.
MacPhie
,
Icarus
38
,
136
147
(
1979
).
5.
M.
Nedeljkovic
,
A. V.
Velasco
,
A. Z.
Khokhar
,
A.
Delâge
,
P.
Cheben
, and
G. Z.
Mashanovich
,
IEEE Photonics Technol. Lett.
28
,
528
(
2016
).
6.
M. C.
Souza
,
A.
Grieco
,
N. C.
Frateschi
, and
Y.
Fainman
,
Nat. Commun.
9
,
665
(
2018
).
7.
D.
Pohl
,
M. R.
Escalé
,
M.
Madi
,
F.
Kaufmann
,
P.
Brotzer
,
A.
Sergeyev
,
B.
Guldimann
,
P.
Giaccari
,
E.
Alberti
,
U.
Meier
 et al.,
Nat. Photonics
14
,
24
29
(
2020
).
8.
R.
Bell
,
Introductory Fourier Transform Spectroscopy
(
Elsevier
,
2012
).
9.
S. A.
Diddams
,
J. Opt. Soc. Am. B
27
,
B51
B62
(
2010
).
10.
P.
Maslowski
,
K. F.
Lee
,
A. C.
Johansson
,
A.
Khodabakhsh
,
G.
Kowzan
,
L.
Rutkowski
,
A. A.
Mills
,
C.
Mohr
,
J.
Jiang
,
M. E.
Fermann
 et al.,
Phys. Rev. A
93
,
021802
(
2016
).
11.
I.
Coddington
,
N.
Newbury
, and
W.
Swann
,
Optica
3
,
414
426
(
2016
).
12.
D.
van der Weide
and
F.
Keilmann
, “
Coherent periodically pulsed radiation spectrometer
,” U. S. patent 5748309A (5 May
1998
).
13.
F.
Keilmann
,
C.
Gohle
, and
R.
Holzwarth
,
Opt. Lett.
29
,
1542
(
2004
).
14.
B.
Stern
,
X.
Ji
,
Y.
Okawachi
,
A. L.
Gaeta
, and
M.
Lipson
,
Nature
562
,
401
(
2018
).
15.
G.
Scalari
,
J.
Faist
, and
N.
Picqué
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
150401
(
2019
).
16.
M.
Rösch
,
G.
Scalari
,
G.
Villares
,
L.
Bosco
,
M.
Beck
, and
J.
Faist
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
171104
(
2016
).
17.
M.
Rösch
,
M.
Beck
,
M. J.
Süess
,
D.
Bachmann
,
K.
Unterrainer
,
J.
Faist
, and
G.
Scalari
,
Nanophotonics
7
,
237
(
2018
).
18.
H.
Li
,
Z.
Li
,
W.
Wan
,
K.
Zhou
,
X.
Liao
,
S.
Yang
,
C.
Wang
,
J. C.
Cao
, and
H.
Zeng
,
ACS Photonics
7
,
49
(
2020
).
19.
J.
Hillbrand
,
A. M.
Andrews
,
H.
Detz
,
G.
Strasser
, and
B.
Schwarz
,
Nat. Photonics
13
,
101
(
2019
).
20.
B.
Schwarz
,
P.
Reininger
,
D.
Ristanić
,
H.
Detz
,
A. M.
Andrews
,
W.
Schrenk
, and
G.
Strasser
,
Nat. Commun.
5
,
1
(
2014
).
21.
H.
Lotfi
,
L.
Li
,
S. M. S.
Rassel
,
R. Q.
Yang
,
C. J.
Corrége
,
M. B.
Johnson
,
P. R.
Larson
, and
J. A.
Gupta
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
151111
(
2016
).
22.
B.
Schwarz
,
J.
Hillbrand
,
M.
Beiser
,
A. M.
Andrews
,
G.
Strasser
,
H.
Detz
,
A.
Schade
,
R.
Weih
, and
S.
Höfling
,
Optica
6
,
890
(
2019
).
23.
M.
Bagheri
,
C.
Frez
,
L. A.
Sterczewski
,
I.
Gruidin
,
M.
Fradet
,
I.
Vurgaftman
,
C. L.
Canedy
,
W. W.
Bewley
,
C. D.
Merritt
,
C. S.
Kim
,
M.
Kim
, and
J. R.
Meyer
,
Sci. Rep.
8
,
3322
(
2018
).
24.
G.
Villares
,
A.
Hugi
,
S.
Blaser
, and
J.
Faist
,
Nat. Commun.
5
,
5192
(
2014
).
25.
G.
Ycas
,
F. R.
Giorgetta
,
E.
Baumann
,
I.
Coddington
,
D.
Herman
,
S. A.
Diddams
, and
N. R.
Newbury
,
Nat. Photonics
12
,
202
(
2018
).
26.
J.
Westberg
,
L.
Sterczewski
, and
G.
Wysocki
,
Appl. Phys. Lett.
110
,
141108
(
2017
).
27.
L. A.
Sterczewski
,
J.
Westberg
,
C. L.
Patrick
,
C. S.
Kim
,
M.
Kim
,
C. L.
Canedy
,
W. W.
Bewley
,
C. D.
Merritt
,
I.
Vurgaftman
,
J. R.
Meyer
, and
G.
Wysocki
,
Opt. Eng.
57
,
011014
(
2018
).
28.
J.
Westberg
,
L. A.
Sterczewski
,
F.
Kapsalidis
,
Y.
Bidaux
,
J. M.
Wolf
,
M.
Beck
,
J.
Faist
, and
G.
Wysocki
,
Opt. Lett.
43
,
4522
4525
(
2018
).
29.
L. A.
Sterczewski
,
J.
Westberg
,
M.
Bagheri
,
C.
Frez
,
I.
Vurgaftman
,
C. L.
Canedy
,
W. W.
Bewley
,
C. D.
Merritt
,
C. S.
Kim
,
M.
Kim
,
J. R.
Meyer
, and
G.
Wysocki
,
Opt. Lett.
44
,
2113
(
2019
).
30.
L. A.
Sterczewski
,
J.
Westberg
, and
G.
Wysocki
,
Opt. Express
27
,
23875
(
2019
).
31.
C. L.
Canedy
,
J.
Abell
,
C. D.
Merritt
,
W. W.
Bewley
,
C. S.
Kim
,
M.
Kim
,
I.
Vurgaftman
, and
J. R.
Meyer
,
Opt. Express
22
,
7702
(
2014
).
32.
Y.
Zhou
,
S.
Zhai
,
F.
Wang
,
J.
Liu
,
F.
Liu
,
S.
Liu
,
J.
Zhang
,
N.
Zhuo
,
L.
Wang
, and
Z.
Wang
,
AIP Adv.
6
,
035305
(
2016
).
33.
P.
Welch
,
IEEE Trans. Audio Electroacoust.
15
,
70
73
(
1967
).
34.
R. V.
Kochanov
,
I. E.
Gordon
,
L. S.
Rothman
,
K. P.
Shine
,
S. W.
Sharpe
,
T. J.
Johnson
,
T. J.
Wallington
,
J. J.
Harrison
,
P. F.
Bernath
,
M.
Birk
,
G.
Wagner
,
K. L.
Bris
,
I.
Bravo
, and
C.
Hill
,
J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer
230
,
172
(
2019
).
35.
H. C.
Liu
,
M.
Buchanan
, and
Z. R.
Wasilewski
,
IEEE J. Quantum Electron.
32
,
1024
(
1996
).
36.
Y.
Chen
,
X.
Chai
,
Z.
Xie
,
Z.
Deng
,
N.
Zhang
,
Y.
Zhou
,
Z.
Xu
,
J.
Chen
, and
B.
Chen
,
J. Lightwave Technol.
38
,
939
945
(
2019
).
37.
M.
Gianella
,
A.
Nataraj
,
B.
Tuzson
,
P.
Jouy
,
F.
Kapsalidis
,
M.
Beck
,
M.
Mangold
,
A.
Hugi
,
J.
Faist
, and
L.
Emmenegger
,
Opt. Express
28
,
6197
6208
(
2020
).
38.
J. R.
Meyer
,
I.
Vurgaftman
,
C. L.
Canedy
,
W. W.
Bewley
,
C. S.
Kim
,
C. D.
Merritt
,
R. J.
Warren
,
R. J.
Weiblen
, and
M.
Kim
, “
Highly stable semiconductor lasers and sensors for III-V and silicon photonic integrated circuits
,” U.S. patent application 16/509613 (12 July 2019).
39.
C. R.
Webster
,
P. R.
Mahaffy
,
S. K.
Atreya
,
G. J.
Flesch
,
M. A.
Mischna
,
P.-Y.
Meslin
,
K. A.
Farley
,
P. G.
Conrad
,
L. E.
Christensen
,
A. A.
Pavlov
 et al.,
Science
347
,
415
417
(
2015
).
You do not currently have access to this content.