Absorbeur saturable composite MoS₂/SiO₂ permettant un laser à fibre Er-dopé mode-locké sous-nanoseconde

Résumé

Le semi-conducteur bidimensionnel MoS₂ est apparu comme matériau prometteur pour la photonique ultrarapide grâce à son absorption saturable large bande et sa non-linéarité du troisième ordre élevée. Dans cette étude, nous fabriquons un verre sol-gel dopé MoS₂ inédit, formant un composite MoS₂/SiO₂. Le composite présente une profondeur de modulation de 3,5 % et une intensité de saturation de 20,15 MW cm⁻², tout en maintenant un seuil de dommage optique de 3,46 J cm⁻² — nettement supérieur aux miroirs absorbants saturables semi-conducteurs conventionnels. En incorporant le composite dans un laser à fibre Er-dopée (EDF) à cavité annulaire, nous atteignons deux régimes de mode-lock distincts : un état soliton conventionnel à 90 mW de puissance de pompe délivrant des impulsions de 780 fs, et un état d'impulsions longues stable sur 100-600 mW de pompe produisant des impulsions de 1,21 ps avec une puissance moyenne maximale de 5,11 mW. Ces résultats démontrent la viabilité du composite comme absorbeur saturable robuste à haut seuil de dommage pour applications laser à fibre.

Introduction

Les matériaux optiques non-linéaires basés sur des structures bidimensionnelles (2D) sous-tendent les dispositifs optoélectroniques modernes. Si le graphène s'est avéré efficace comme modulateur large bande, des travaux récents ont montré que les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) comme le MoS₂ peuvent fournir une absorption saturable supérieure et une non-linéarité du troisième ordre plus élevée. Le MoS₂ a été intégré dans des lasers pulsés à des longueurs d'onde allant de 635 nm à 2950 nm, atteignant des durées d'impulsion du sous-femtoseconde à plusieurs picosecondes, et fonctionnant à des taux de répétition élevés. Les méthodes de fabrication traditionnelles — exfoliation mécanique, exfoliation en phase liquide, CVD, PLD et pulvérisation magnétron — ont chacune des limitations en termes d'évolutivité, de densité de défauts ou de robustesse thermique. Les absorbeurs saturables (AS) MoS₂ existants sont généralement incorporés en sandwichant des polymères chargés de nanomatériaux entre des férules de fibre ou en déposant sur des fibres effilées/évasées, mais ces approches souffrent soit de faibles seuils de dommage, soit d'exigences de conditionnement complexes. Pour relever ces défis, nous introduisons un composite MoS₂/SiO₂ fabriqué via la technique sol-gel, qui combine la compatibilité optique de la silice avec la réponse non-linéaire intrinsèque du MoS₂, résultant en un AS durable à haut seuil de dommage.

Méthodes

Préparation du composite MoS₂/SiO₂

Les nanofeuilles MoS₂ ont d'abord été dispersées dans l'eau déionisée par exfoliation en phase liquide : 1 mg de MoS₂ a été soniqué pendant 6 h à 90 W, suivi de centrifugation pour obtenir une solution stable. Séparément, le tétraéthoxysilane (TEOS), l'éthanol et l'eau étaient mélangés pour former le précurseur sol-gel. La dispersion MoS₂ était combinée au mélange TEOS et agitée, puis acidifiée avec HCl pour maintenir un pH bas. Les réactions d'hydrolyse et de polycondensation produisaient un sol de silice dopé MoS₂, qui était agité à 50 °C pendant 5 h pour prévenir fissuration et agrégation. Le sol était vieilli à température ambiante pendant 48 h, puis séché dans une enceinte à 60 °C pendant une semaine, donnant un verre solide MoS₂/SiO₂.

Cavité laser à fibre

Le laser EDF à cavité annulaire (13,3 m longueur totale) incorporait une fibre Er-dopée de 1,2 m comme milieu de gain, une diode laser à couplage fibre (650 mW max) comme source de pompe, et un multiplexeur en longueur d'onde pour combiner pompe et signal. Un isolateur indépendant de la polarisation assurait un fonctionnement unidirectionnel, et un contrôleur de polarisation ajustait l'état intracavité. Le composite MoS₂/SiO₂ était sandwiché entre deux férules de fibre, et un coupleur 10/90 extrayait la sortie. La cavité était optimisée pour supporter les régimes de mode-lock soliton conventionnel et d'impulsions longues.

Résultats et Discussion

Caractérisation du composite

L'inspection optique montre un composite brun indiquant l'intégration du MoS₂. Les images MEB révèlent une dispersion uniforme des nanofeuilles MoS₂ dans la matrice silice. La spectroscopie à dispersion d'énergie des rayons X confirme la présence de Mo, S et Si. Des mesures à détecteur jumelé équilibré sur un laser 1550 nm, 500 fs, 23 MHz donnent une profondeur de modulation de 3,5 % et une intensité de saturation de 20,15 MW cm⁻². Un laser Ti:sapphire femtoseconde (800 nm, 250 fs) teste le seuil de dommage, mesuré à 3,46 J cm⁻² — significativement plus élevé que les SESAM typiques (≈0,5 mJ cm⁻²).

Performance du laser à fibre mode-locké

À 90 mW de puissance de pompe, la cavité présente un mode-lock soliton conventionnel avec une bande passante 3-dB de 6 nm centrée à 1557 nm. Le spectre radiofréquence montre un taux de répétition fondamental de 15,76 MHz avec un SNR de 65 dB. L'autocorrélation révèle une impulsion de 1,21 ps FWHM, correspondant à 780 fs d'impulsions sech². L'augmentation de la pompe à 100 mW déstabilise le régime soliton, indiquant une fenêtre de fonctionnement étroite.

En ajustant le contrôleur de polarisation, un second état de mode-lock stable émerge, persistant de 100 à 600 mW. Le spectre optique s'élargit avec la puissance de pompe, maintenant une largeur 3-dB de 4 nm à 600 mW. La durée d'impulsion s'étend à 1,97 ps FWHM (1,21 ps sech²). La puissance de sortie évolue linéairement avec la pompe, atteignant 5,11 mW à 600 mW. Cela démontre la capacité du composite à supporter à la fois des impulsions ultrarapides et picosecondes sur une large gamme de puissance.

Conclusion

Nous avons fabriqué avec succès un composite MoS₂/SiO₂ via un procédé sol-gel à basse température, atteignant une profondeur de modulation de 3,5 % et une intensité de saturation de 20,15 MW cm⁻². Intégré dans un laser EDF, le composite délivre des impulsions de 780 fs à 90 mW et 1,21 ps avec 5,11 mW de puissance moyenne sur 100-600 mW de pompe. Ces résultats confirment le haut seuil de dommage du composite, sa facilité d'intégration et sa polyvalence, le positionnant comme candidat prometteur pour les dispositifs photoniques ultrarapides de prochaine génération.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

CVD :

Dépôt chimique en phase vapeur

EDF :

Fibre Er-dopée

EDS :

Spectromètre à dispersion d'énergie des rayons X

FWHM :

Largeur à mi-hauteur

Iₛₐₜ :

Intensité de saturation

LD :

Diode laser

LPE :

Exfoliation en phase liquide

ME :

Exfoliation mécanique

MSD :

Dépôt par pulvérisation 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 en longueur d'onde

ΔT :

Profondeur de modulation