MoS₂/SiO₂ композитный насыщающийся поглотитель обеспечивает субнаносекундный мод-локированный Er-допированный волоконный лазер

Аннотация

Двумерный полупроводник MoS₂ стал перспективным материалом для ультрабыстрой фотоники благодаря своей широкополосной насыщаемой абсорбции и высокой третьей порядка нелинейности. В этом исследовании мы фабрикуем новый MoS₂-допированный соль-гель стекло, образуя MoS₂/SiO₂ композит. Композит демонстрирует глубину модуляции 3,5% и насыщающую интенсивность 20,15 МВт/см², сохраняя порог оптического повреждения 3,46 Дж/см² — заметно выше, чем у традиционных полупроводниковых зеркальных насыщающих поглотителей. Включая композит в кольцевой резонатор Er-допированного волокна (EDF) лазера, мы достигаем двух различных мод-локированных режимов: конвенционального солитонного состояния при 90 мВт мощности насоса с импульсами 780 фс, и стабильного длинноимпульсного состояния в диапазоне 100–600 мВт мощности насоса, производящего 1,21 пс импульсы с максимальной средней выходной мощностью 5,11 мВт. Эти результаты демонстрируют пригодность композита как надежного высокого порога повреждения насыщающего поглотителя для волоконно-лазерных приложений.

Введение

Нелинейные оптические материалы на основе двумерных (2D) структур лежат в основе современных оптоэлектронных устройств. В то время как графен доказал свою эффективность как широкополосный модулятор, недавние работы показали, что дихалькогениды переходных металлов (TMDs) такие как MoS₂ могут обеспечивать превосходную насыщаемую абсорбцию и более высокую третьего порядка нелинейность. MoS₂ интегрировали в импульсные лазеры на длинах волн от 635 нм до 2950 нм, достигая длительностей импульсов от субфемтосекунд до нескольких пикосекунд и работая на высоких частотах повторения. Традиционные методы фабрикации — механическая эксфолиация, жидкостная эксфолиация, CVD, PLD и магнетронное распыление — имеют ограничения в масштабируемости, дефектности или термической робастности. Существующие насыщающие поглотители (SA) на базе MoS₂ обычно вкорпорируют путем сэндвичирования полимерно-внедренных наноматериалов между волоконными феррулями или осадки на конических/D-образных волокнах, однако эти подходы либо страдают от низких порогов повреждения, либо сложных требований к упаковке. Для решения этих вызовов мы вводим MoS₂/SiO₂ композит, фабрикуемый соль-гель техникой, который сочетает оптическую совместимость кремнезема с интринсическим нелинейным откликом MoS₂, результатом в долговечном высокопороговом SA.

Методы

Подготовка MoS₂/SiO₂ композита

MoS₂ нанолисты сначала диспергировали в деионизированной воде жидкостной эксфолиацией: 1 мг MoS₂ сонировали 6 ч при 90 Вт, с последующей центрифугированием для получения стабильного раствора. Отдельно, тетраэтоксисилан (TEOS), этанол и вода смешивали для формирования соль-гель предварителя. MoS₂ дисперсию комбинировали с TEOS смесью и перемешивали, затем закисляли HCl для поддержания низкого pH. Гидролиз и поликонденсация дали MoS₂-допированный силикасоль, который мешали при 50 °C в течение 5 ч для предотвращения трещин и агрегации. Соль выдерживали при комнатной температуре 48 ч, затем сушили в камере 60 °C на неделю, получая твердый MoS₂/SiO₂ стекло.

Резонатор волоконного лазера

Кольцевой резонатор EDF лазера (общая длина 13,3 м) включал 1,2-м Er-допированное волокно как среду усиления, волоконно-сопряженный лазерный диод (макс 650 мВт) как источник насоса и длина-волновой мультиплексор для комбинирования насоса и сигнала. Поляризационно-независимый изолятор обеспечивал однонаправленную работу, и поляризационный контроллер настраивал внутрирезонаторное состояние. MoS₂/SiO₂ композит сэндвичили между двумя волоконными феррулами, и 10/90 разветвитель извлекал выход. Резонатор оптимизировали для поддержки как конвенционального солитонного, так и длинноимпульсного мод-локированного режимов.

Результаты и обсуждение

Характеристика композита

Оптический осмотр показывает коричневый композит, указывающий на интеграцию MoS₂. SEM изображения раскрывают равномерную дисперсию MoS₂ нанолистов в силикательной матрице. Энергодисперсный рентгеновский спектрометр подтверждает наличие Mo, S и Si. Измерения сбалансированным двухдетекторным методом на 1550 нм, 500 фс, 23 МГц лазере дают глубину модуляции 3,5% и насыщающую интенсивность 20,15 МВт/см². Фемтосекундный Ti:сапфировый лазер (800 нм, 250 фс) тестирует порог повреждения, измеренный как 3,46 Дж/см² — значительно выше типичных SESAMs (≈0,5 мДж/см²).

Производительность мод-локированного волоконного лазера

При 90 мВт мощности насоса резонатор демонстрирует конвенциональный солитонный мод-локинг с 6 нм полосой 3-dB, центрированной на 1557 нм. Радиочастотный спектр показывает фундаментальную частоту повторения 15,76 МГц с SNR 65 дБ. Автокорреляция раскрывает 1,21 пс FWHM импульс, соответствующий 780 фс sech² импульсам. Увеличение насоса до 100 мВт дестабилизирует солитонный режим, указывая на узкое рабочее окно.

Настроив поляризационный контроллер, второе стабильное мод-локированное состояние возникает, сохраняющееся от 100 до 600 мВт. Оптический спектр расширяется с мощностью насоса, поддерживая 4 нм 3-dB ширину при 600 мВт. Длительность импульса удлиняется до 1,97 пс FWHM (1,21 пс sech²). Выходная мощность линейно масштабируется с насосом, достигая 5,11 мВт при 600 мВт. Это демонстрирует способность композита поддерживать как ультракороткие, так и пикосекундные импульсы на широком диапазоне мощностей.

Заключение

Мы успешно фабрикуем MoS₂/SiO₂ композит низкотемпературным соль-гель процессом, достигая глубины модуляции 3,5% и насыщающей интенсивности 20,15 МВт/см². При интеграции в EDF лазер композит дает 780 фс импульсы при 90 мВт и 1,21 пс импульсы с 5,11 мВт средней мощностью в диапазоне 100–600 мВт насоса. Эти находки подтверждают высокий порог повреждения композита, легкость интеграции и универсальность, позиционируя его как перспективного кандидата для ультрабыстрых фотонических устройств следующего поколения.

Аббревиатуры

2D

Двумерный

CVD

Химическое осаждение из паровой фазы

EDF

Er-допированное волокно

EDS

Энергодисперсный рентгеновский спектрометр

FWHM

Полная ширина на полувысоте

I_sat

Насыщающая интенсивность

LD

Лазерный диод

LPE

Жидкостная эксфолиация

ME

Механическая эксфолиация

MSD

Магнетронное распыление

PC

Поляризационный контроллер

PI-ISO

Поляризационно-независимый изолятор

PLD

Импульсное лазерное осаждение

SA

Насыщающийся поглотитель

SESAM

Полупроводниковое зеркало насыщающегося поглотителя

SNR

Отношение сигнал/шум

TEOS

Тетраэтоксисилан

TMD

Дихалькогенид переходного металла

WDM

Длина-волновой мультиплексор

ΔT

Глубина модуляции