Laser à fibre dopée Er à verrouillage de mode à l'aide d'un absorbeur saturable MoS2/SiO2

Introduction

Les matériaux optiques non linéaires, en particulier ceux avec des structures 2D, jettent les bases du développement de l'optoélectronique [1,2,3,4,5]. Le graphène a été intensivement étudié en tant que modulateur optique pour une utilisation dans divers lasers pulsés et d'excellents résultats sont obtenus [6, 7]. Récemment, de nombreux nouveaux matériaux 2D tels que les isolants topologiques [8, 9], le dichalcogénure de métal de transition (TMD) [10,11,12,13,14], le phosphore noir [15], le MXène [16], le bismuthène [17], les charpentes métallo-organiques [18] et la pérovskite [19] ont démontré des non-linéarités optiques à large bande. De plus, ces matériaux 2D sont considérés comme la prochaine génération de matériaux modulateurs optiques prometteurs [20, 21]. Le MoS₂ est un semi-conducteur TMD représentatif avec des couches cristallines constituées de trois plans hexagonaux alternés de Mo et S [22]. Selon les états de coordination et d'oxydation des atomes de métaux de transition, MoS₂ peut être de nature semi-conductrice ou métallique. L'absorption saturable à large bande et la susceptibilité non linéaire élevée de troisième ordre ont été minutieusement étudiées [23,24,25]. Des travaux récents démontrent que le MoS₂ a une meilleure réponse d'absorption saturable que le graphène en utilisant une technique de balayage en Z à ouverture ouverte pour des propriétés optiques non linéaires ultrarapides [26, 27]. Basé sur le MoS₂ matériaux, les dispositifs modulateurs optiques correspondants ont été utilisés avec succès pour les lasers pulsés. Jusqu'à présent, les lasers à fibre pulsés avec MoS₂ à différentes longueurs d'onde centrales de 635 nm, 980 nm, 1030 nm, 1560 nm, 1925 nm et 2950 nm ont été obtenues [28,29,30,31,32,33]. Lasers à fibre ultrarapides basés sur MoS₂ l'émission d'impulsions avec une durée d'impulsion allant de centaines de femtosecondes à quelques picosecondes a également été rapportée [34, 35]. De plus, des lasers à fibre pulsés à taux de répétition élevé avec MoS₂ ont été réalisés [36, 37].

Habituellement, MoS₂ les nanomatériaux sont fabriqués par la méthode d'exfoliation mécanique (ME) [38], la méthode d'exfoliation en phase liquide (LPE) [39], la méthode hydrothermale [40, 41], la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) [42], le dépôt laser pulsé (PLD) méthode [43] et méthode de dépôt par pulvérisation magnétron (MSD) [44]. Chaque méthode a ses forces et ses faiblesses. Par exemple, la méthode ME est la première technique rapportée pour obtenir la structure en couches MoS₂ . Cependant, cette méthode présente les inconvénients d'une mauvaise évolutivité et d'un faible rendement, ce qui entrave les applications à grande échelle. Pour surmonter les défauts de la méthode ME, CVD propose une approche contrôlable pour la production de MoS monocouche et à quelques couches₂ . Tandis que pour le MoS₂ croissance, il est souvent nécessaire de prétraiter le substrat. PLD et MSD devraient être les méthodes idéales pour développer des MoS₂ de haute qualité film directement avec différentes tailles et zones, mais avec de nombreux défauts cristallins. La technologie signalée pour l'intégration de MoS₂ en lasers à fibre peuvent être principalement divisés en deux méthodes :(1) prendre en sandwich directement le MoS₂ -à base de SA entre deux connecteurs fibre en mélangeant le MoS₂ nanomatériaux dans un film polymère et (2) déposer le MoS₂ nanomatériaux sur fibre effilée ou fibre en forme de D en utilisant l'interaction d'ondes évanescentes. Le MoS de type sandwich₂ les modulateurs optiques présentent les avantages de la flexibilité et de la commodité. Il a également le point faible de faibles dommages thermiques. La méthode des ondes évanescentes peut augmenter le seuil d'endommagement des SA, mais elle présente l'inconvénient de la frangibilité. Pour les applications pratiques, des modulateurs optiques à fibre conique ou à base de fibre en forme de D doivent être emballés, ce qui rend la procédure de fabrication très compliquée. Par conséquent, établir un MoS contrôlé avec précision₂ le nanomatériau nécessite encore une exploration plus approfondie, et l'amélioration d'une méthode de fabrication efficace est toujours un objectif de longue date.

Dans cet article, nous démontrons une nouvelle méthode pour préparer le MoS₂ /SiO₂ matériaux composites en dopant le MoS₂ nanomatériaux dans le verre sol-gel. Comme on le sait, la méthode sol-gel est une approche mature pour préparer le verre à basse température [45, 46]. Dopage du MoS₂ Les nanomatériaux dans le verre sol-gel ont non seulement des vertus de bonne capacité antioxydante, mais peuvent également augmenter efficacement la stabilité mécanique. De plus, le verre sol-gel a un bon indice de réfraction correspondant à la fibre optique. Par conséquent, ce type de matériau composite présente un seuil d'endommagement environnemental élevé. En incorporant le MoS proposé₂ /SiO₂ dans la cavité laser EDF, nous réalisons deux types d'opération de verrouillage de mode. A la puissance de pompage de 90 µmW, le fonctionnement conventionnel de verrouillage en mode soliton est obtenu. La durée d'impulsion est de 780 µfs. Dans la plage de puissance de pompe de 100 à 600  mW, nous réalisons également une autre opération de verrouillage de mode stable. La largeur d'impulsion est de 1,21 ps et la puissance de sortie maximale est de 5,11 mW. Les résultats montrent que le MoS₂ /SiO₂ les matériaux composites possèdent un grand potentiel pour les applications laser à fibre à mode verrouillé.

Méthodes

MoS₂ /SiO₂ Procédure de préparation des matériaux composites

Le MoS₂ /SiO₂ les matériaux composites sont préparés par la méthode sol-gel. Dans la première étape, le MoS₂ la dispersion est préparée par la méthode d'exfoliation en phase liquide. Un milligramme de MoS₂ nanosheets est mis dans les 10 ml d'eau déminéralisée. Ensuite, le MoS₂ la dispersion est ultrasonique pendant 6 h et la puissance du nettoyeur à ultrasons est réglée sur 90 W. Après le processus de centrifugation, nous obtenons le MoS stable₂ Solution. D'autre part, le tétraéthoxysilane (TEOS), l'éthanol et l'eau déminéralisée sont mélangés pour la préparation du verre sol-gel. Dans l'étape suivante, le MoS₂ solution et le mélange TEOS sont mélangés. Ensuite, le MoS₂ et le mélange TEOS est agité pour former le MoS₂ -verre dopé. A ce moment, l'acide chlorhydrique est ajouté au mélange obtenu pour contrôler le PH à faible valeur. Via un procédé d'hydrolyse et de polycondensation, le MoS₂ -un sol de silice dopé est obtenu. Le processus d'hydrolyse et de polycondensation peut être décrit comme les réactions suivantes :

Au cours du processus d'hydrolyse, les groupes alcoxyde du TEOS sont remplacés par les groupes hydroxyle. Dans le processus de polycondensation, les groupes Si-OH produisent les réseaux Si-O-Si. Afin d'éviter la fissuration du verre sol-gel et le MoS₂ agglomération, le MoS₂ -les sols de silice dopés sont agités à 50 °C pendant 5 h. Ensuite, le MoS₂ -des sols de silice dopés sont mis dans les alvéoles en plastique et vieillis à température ambiante pendant 48 h. Dans la dernière étape, placez le sol de silice dans une boîte sèche à 60 °C pendant 1 semaine pour former du MoS₂ solide. -verre dopé.

Cavité laser à fibre

Le tracé du laser EDF avec MoS₂ /SiO₂ Le matériau composite est illustré à la Fig. 1. La cavité laser annulaire est utilisée. La source de pompage est une diode laser (LD) couplée à des fibres avec une puissance de sortie maximale de 650 µmW, qui délivre le laser de pompage dans la cavité laser via le multiplexeur à division de longueur d'onde (WDM). Un EDF de 1,2 m de long est utilisé comme moyen de gain. Un isolateur indépendant de la polarisation (PI-ISO) est utilisé pour assurer le fonctionnement unidirectionnel dans la cavité laser annulaire. Un contrôleur de polarisation (PC) est engagé pour obtenir différents états de polarisation. Un MoS₂ /SiO₂ matériau composite est pris en sandwich entre deux ferrules de fibre. Le coupleur optique 10/90 est utilisé au niveau du port de sortie de la cavité laser. La longueur totale de la cavité de l'oscillateur laser est d'environ 13,3  m.

Montage expérimental du laser fibre à verrouillage de mode EDF

Résultats et discussion

Caractérisation du MoS₂ /SiO₂ Matériaux composites

Comme le montre la figure 2a, le MoS₂ préparé /SiO₂ le matériau composite est de couleur marron, indiquant le MoS₂ des nanofeuillets sont incorporés dans le verre de silice. La figure 2b montre l'image SEM. Le MoS₂ /SiO₂ Le matériau composite est également caractérisé par un spectromètre à rayons X à dispersion d'énergie (EDS). La figure 3 montre le spectre EDS, qui indique que le MoS préparé₂ /SiO₂ le verre contient trois éléments (Mo, S et Si). Les propriétés optiques non linéaires de MoS₂ /SiO₂ verre sont étudiées par le système de mesure équilibré à double détecteur. La source laser à impulsions est le laser à fibre EDF fait maison avec une longueur d'onde centrale de 1550 nm, une largeur d'impulsion de 500 fs et un taux de répétition de 23 MHz. Comme on peut le voir sur la figure 4, la profondeur de modulation (ΔT) et l'intensité saturable (I_sat ) sont mesurés à 3,5% et 20,15 MW/cm ² , respectivement. Un laser femtoseconde Ti:saphir (longueur d'onde centrale 800 nm, largeur d'impulsion 250 fs, taux de répétition 100 kHz) est utilisé comme source pour étudier les dommages thermiques du MoS₂ /SiO₂ matériau composite. Les dommages optiques du MoS₂ /SiO₂ apparaît lorsque la puissance de test est réglée sur 3,46 J/cm ² , ce qui est bien supérieur à celui du miroir à absorbeur saturable à semi-conducteur (SESAM) (500 μJ/cm ² ).

un Photos numériques. b Image SEM

Spectre EDS

Propriétés optiques non linéaires de MoS₂ /SiO₂ matériaux composites

MoS₂ /SiO₂ Laser à fibre à verrouillage de mode

Les résultats expérimentaux conventionnels de verrouillage de mode soliton sont présentés sur la figure 5. L'opération de verrouillage de mode est observée à la puissance de pompe de 90  mW accompagnant le phénomène d'hystérésis [47]. En ajustant la puissance de la pompe à 75  mW, l'état de verrouillage de mode est toujours maintenu. Le spectre optique des impulsions de verrouillage de mode à la puissance de pompage de 90  mW est représenté sur la figure 5a. La longueur d'onde centrale est située à 1557 nm et la largeur spectrale de 3 dB est de 6 nm. On peut clairement voir que les bandes latérales de Kelly sont apparues symétriquement des deux côtés du spectre, indiquant que le laser à fibre fonctionne dans un état de verrouillage de mode soliton conventionnel. La figure 5b montre les performances du train d'impulsions, qui a une intensité uniforme. L'intervalle de deux impulsions est de 64,2 µns, correspondant au temps aller-retour de la cavité. Pour approfondir l'étude de la stabilité de l'impulsion soliton, le spectre radiofréquence est mesuré. La figure 5c montre que le taux de répétition fondamental est de 15,76  MHz et que le rapport signal/bruit (SNR) est de 65  dB. La durée d'impulsion est mesurée par un autocorrélateur. La figure 5d montre la courbe d'autocorrélation. La pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) est mesurée à 1,21 ps, indiquant que la durée d'impulsion est de 780 fs si un Sech ² l'ajustement est utilisé. Nous augmentons simplement la puissance de la pompe à 100 mW et gardons le PC inchangé, le laser entre dans un régime de verrouillage de mode de fonctionnement à impulsions multiples, présentant une instabilité et des fluctuations, ce qui signifie que le verrouillage de mode fonctionne dans une plage de pompe étroite.

Résultats expérimentaux des solitons conventionnels :a spectre optique, b train d'impulsions, c spectre radiofréquence, d trace d'autocorrélation

Au cours des expériences, nous atteignons un autre état de verrouillage de mode. En ajustant la puissance de la pompe à 100 µmW et la rotation du PC, nous obtenons cet état de fonctionnement à verrouillage de mode. La figure 6a enregistre le spectre optique correspondant. Le spectre optique s'élargit de plus en plus avec l'augmentation de la puissance de pompage. En augmentant progressivement la puissance de la pompe à 600  mW, cette opération de verrouillage de mode peut toujours être maintenue. On observe que les côtés sont apparus dans le spectre optique avec une intensité relativement faible. La longueur d'onde centrale est de 1557  nm et la largeur spectrale de 3 dB est de 4 nm à la puissance de pompage de 600  mW. La trace de l'oscilloscope pour l'état de verrouillage de mode est représentée sur la figure 6b ; l'intervalle de deux impulsions est de 64,2 µns, vérifiant que le laser à fibre fonctionne dans l'état de verrouillage de mode fondamental. La trace d'autocorrélation est affichée sur la figure 6(c), la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) est de 1,97 ps, ce qui signifie que la durée d'impulsion est de 1,21 ps si un Sech ² l'ajustement est utilisé. Les caractéristiques de puissance de sortie moyenne sont illustrées à la Fig. 6d. Au fur et à mesure que la puissance de la pompe augmente, la puissance de sortie moyenne augmente presque linéairement. La puissance de sortie maximale est mesurée à 5,11  mW à une puissance de pompe de 600  mW.

Résultats expérimentaux :a spectre optique, b train d'impulsions, c trace d'autocorrélation, d puissance de sortie

Conclusion

En conclusion, nous avons signalé le MoS₂ /SiO₂ matériaux composites, qui sont préparés en incorporant le MoS₂ nanomatériaux dans le verre sol-gel. Le spectre EDS identifie le composant principal du MoS₂ préparé /SiO₂ verre. La profondeur de modulation et l'intensité saturable de MoS₂ /SiO₂ les matériaux composites sont mesurés à 3,5 % et 20,15  MW/cm ² , respectivement. Laser à fibre à mode verrouillé avec MoS₂ /SiO₂ est encore démontré. L'état de verrouillage de mode soliton conventionnel avec une durée d'impulsion de 780 µfs est réalisé à la puissance de pompe de 90 µmW. Dans la plage de puissance de pompe de 100 à 600  mW, un autre état de verrouillage de mode stable est présenté. La largeur d'impulsion est de 1,21 ps et la puissance de sortie maximale est de 5,11 mW. Nos résultats montrent que le MoS₂ /SiO₂ les matériaux composites ont de bonnes perspectives en photonique ultrarapide et la méthode sol-gel offre une nouvelle voie pour la fabrication de dispositifs optiques TMD.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

EDF :

Fibre dopée ER

EDS :

Spectromètre à rayons X à dispersion d'énergie

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

J'ai_assis :

Intensité saturable

LD :

Diode laser

LPE :

Gommage en phase liquide

ME :

Gommage mécanique

MSD :

Dépôt par pulvérisation cathodique magnétron

PC :

Contrôleur de polarisation

PI-ISO :

Isolateur indépendant de la polarisation

PLD :

Dépôt laser pulsé

SA :

Absorbeur saturable

SESAM :

Miroir absorbant saturable semi-conducteur

SNR :

Rapport signal/bruit

TEOS :

Tétraéthoxysilane

TMD :

Dichalcogénure de métal de transition

WDM :

Multiplexeur de longueur d'onde

ΔT :

Profondeur de modulation