MoS₂/SiO₂ Composiet Verzadigingsabsorber Maakt Sub-nanoseconde Mode-locked Er-gedopeerde Vezellaser Mogelijk

Samenvatting

Het tweedimensionale halfgeleider MoS₂ heeft zich ontwikkeld als veelbelovend materiaal voor ultra-snelle fotonica door zijn breedbandige verzadigingsabsorptie en hoge derde-orde non-lineariteit. In deze studie produceren we een nieuwe MoS₂-gedopeerd sol-gel glas, vormend een MoS₂/SiO₂-composiet. Het composiet vertoont een modulatie-diepte van 3,5% en een verzadigingsintensiteit van 20,15 MW cm⁻², terwijl het een optische schadedrempel van 3,46 J cm⁻² behoudt – aanzienlijk hoger dan conventionele halfgeleider verzadigingsabsorber spiegels. Door het composiet te integreren in een ring-kamer Er-gedopeerde vezel (EDF) laser, bereiken we twee verschillende mode-locking regimes: een conventionele soliton-toestand bij 90 mW pompvermogen die 780 fs pulsen levert, en een stabiele lange-puls toestand over 100-600 mW pompvermogen producerend 1,21 ps pulsen met een maximum gemiddelde output van 5,11 mW. Deze resultaten demonstreren de levensvatbaarheid van het composiet als robuuste, hoge-schade-drempel verzadigingsabsorber voor vezel-laser toepassingen.

Inleiding

Niet-lineaire optische materialen gebaseerd op tweedimensionale (2D) structuren vormen de basis van moderne opto-elektronische apparaten. Terwijl grafeen effectief is gebleken als breedband-modulator, heeft recent werk getoond dat overgangsmetaal-dichalcogeniden (TMD's) zoals MoS₂ superieure verzadigingsabsorptie en hogere derde-orde non-lineariteit kunnen bieden. MoS₂ is geïntegreerd in gepulste lasers bij golflengtes variërend van 635 nm tot 2950 nm, met pulsduren van sub-femtoseconde tot meerdere picoseconden, en werkend bij hoge herhalingssnelheden. Traditionele fabricagemethoden – mechanische exfoliatie, vloeistof-fase-exfoliatie, CVD, PLD en magnetron-sputtering – hebben elk beperkingen in schaalbaarheid, defect-dichtheid of thermische robuustheid. Bestaande MoS₂ verzadigingsabsorbers (SA's) worden doorgaans geïntegreerd door polymere-ingebedde nanomaterialen tussen vezel-ferrules te sandwichen of te depositeren op getapte/D-vormige vezels, doch deze benaderingen lijden ofwel onder lage schadedrempels of complexe verpakkingsvereisten. Om deze uitdagingen aan te pakken, introduceren we een MoS₂/SiO₂-composiet geproduceerd via de sol-gel-techniek, die de optische compatibiliteit van silica combineert met de intrinsieke non-lineaire respons van MoS₂, resulterend in een duurzame, hoge-schade-drempel SA.

Methoden

MoS₂/SiO₂ Composiet Bereiding

MoS₂-nanosheets werden eerst gedispergeerd in gedioniseerd water door vloeistof-fase-exfoliatie: 1 mg MoS₂ werd 6 uur gesonicerd bij 90 W, gevolgd door centrifugatie om een stabiele oplossing te verkrijgen. Apart werden tetraethoxysilane (TEOS), ethanol en water gemengd om de sol-gel-precursor te vormen. De MoS₂-dispersie werd gecombineerd met het TEOS-mengsel en gerold, vervolgens verzurd met HCl om een lage pH te handhaven. Hydrolyse- en polycondensatiereacties produceerden een MoS₂-gedopeerd silica-sol, dat 5 uur bij 50 °C gerold werd om kraken en aggregatie te voorkomen. De sol werd 48 uur bij kamertemperatuur gerijpt, daarna gedroogd in een 60 °C-kamer gedurende een week, wat een vast MoS₂/SiO₂-glas opleverde.

Vezel Laserkamer

De ring-kamer EDF-laser (totale lengte 13,3 m) incorporeerde een 1,2-m Er-gedopeerde vezel als winstmedium, een vezel-gekoppelde laserdiode (max 650 mW) als pompbron, en een golfengte-deling multiplexer om pomp en signaal te combineren. Een polarisatie-onafhankelijke isolator zorgde voor eenrichtingswerking, en een polarisatie-controller stemde de intracavitaire toestand af. Het MoS₂/SiO₂-composiet werd tussen twee vezel-ferrules gesandwicht, en een 10/90-koppler extraheerde de output. De kamer werd geoptimaliseerd om zowel conventionele soliton als lange-puls mode-locking regimes te ondersteunen.

Resultaten en Discussie

Composiet Karakterisatie

Optische inspectie toont een bruin composiet indicatief voor MoS₂-integratie. SEM-beelden onthullen een uniforme dispersie van MoS₂-nanosheets binnen de silica-matrix. Energie-dispersieve Röntgenspectroscopie bevestigt de aanwezigheid van Mo, S en Si. Balanced twin-detector metingen op een 1550 nm, 500 fs, 23 MHz laser leveren een modulatie-diepte van 3,5% en verzadigingsintensiteit van 20,15 MW cm⁻². Een femtoseconde Ti:saffier-laser (800 nm, 250 fs) test de schadedrempel, gemeten op 3,46 J cm⁻² – significant hoger dan typische SESAMs (≈0,5 mJ cm⁻²).

Mode-locked Vezel Laser Prestaties

Bij 90 mW pompvermogen vertoont de kamer conventionele soliton mode-locking met een 6 nm 3-dB bandbreedte gecentreerd op 1557 nm. Het radiofrequentie-spectrum toont een fundamentele herhalingssnelheid van 15,76 MHz met een 65 dB SNR. Autocorrelatie onthult een 1,21 ps FWHM-puls, overeenkomend met 780 fs sech²-pulsen. Verhoging van de pomp tot 100 mW destabiliseert het soliton-regime, wat een smal bedrijfsvenster aangeeft.

Door de polarisatie-controller aan te passen, ontstaat een tweede stabiele mode-locking toestand, die persisteert van 100 tot 600 mW. Het optische spectrum verbreedt met pompvermogen, behoudend een 4 nm 3-dB breedte bij 600 mW. De pulsduratie strekt uit tot 1,97 ps FWHM (1,21 ps sech²). De output-vermogen schaalt lineair met de pomp, bereikend 5,11 mW bij 600 mW. Dit demonstreert de capaciteit van het composiet om zowel ultrasnel als picoseconde pulsen over een breed vermogensbereik te ondersteunen.

Conclusie

We hebben met succes een MoS₂/SiO₂-composiet geproduceerd via een laagtemperatuur sol-gel-proces, wat een modulatie-diepte van 3,5% en verzadigingsintensiteit van 20,15 MW cm⁻² oplevert. Geïntegreerd in een EDF-laser levert het composiet 780 fs pulsen bij 90 mW en 1,21 ps pulsen met 5,11 mW gemiddeld vermogen over 100-600 mW pomp. Deze bevindingen bevestigen de hoge schadedrempel, gemakkelijke integratie en veelzijdigheid van het composiet, wat het positioneert als veelbelovende kandidaat voor volgende-generatie ultra-snelle fotonische apparaten.

Afkortingen

2D:

Tweedimensionaal

CVD:

Chemische dampafscheiding

EDF:

Er-gedopeerde vezel

EDS:

Energie-dispersieve Röntgenspectrometer

FWHM:

Volledige breedte op halve maximum

I_sat:

Verzadigingsintensiteit

LD:

Laserdiode

LPE:

Vloeistof-fase-exfoliatie

ME:

Mechanische exfoliatie

MSD:

Magnetron-sputter-depositie

PC:

Polarisatie-controller

PI-ISO:

Polarisatie-onafhankelijke isolator

PLD:

Gepulste laserdepositie

SA:

Verzadigingsabsorber

SESAM:

Halfgeleider verzadigingsabsorber spiegel

SNR:

Signaal-ruis-verhouding

TEOS:

Tetraethoxysilane

TMD:

Overgangsmetaal-dichalcogenide

WDM:

Golfengte-deling multiplexer

ΔT:

Modulatie-diepte