Mode-Locked Er-Doped Fiber Laser dengan Menggunakan MoS2/SiO2 Saturable Absorber

Abstrak

Material berlapis dua dimensi (2D) MoS₂ telah menarik banyak perhatian untuk aplikasi elektronik dan optoelektronika. Dalam karya ini, jenis novel MoS₂ -bahan komposit kaca sol-gel yang didoping disiapkan. Sifat optik nonlinier dari MoS yang disiapkan₂ /SiO₂ material komposit diukur dengan kedalaman modulasi (ΔT) sebesar 3,5% dan intensitas jenuh (I_sat ) sebesar 20,15 MW/cm² . Ambang kerusakan optik adalah 3,46 J/cm² . Menggunakan MoS₂ /SiO₂ material komposit sebagai penyerap saturable (SA), laser serat Er-doped (EDF) terkunci mode pasif direalisasikan. Pulsa penguncian mode soliton konvensional yang stabil berhasil dihasilkan dengan lebar pulsa 780 fs pada daya pompa 90 mW. Dalam kisaran daya pompa 100–600 mW, operasi penguncian mode stabil lainnya diperoleh. Lebar pulsa adalah 1,21 ps dan daya keluaran maksimum adalah 5,11 mW. Hasilnya menunjukkan bahwa MoS₂ /SiO₂ material komposit dapat menawarkan cara baru untuk aplikasi optik.

Pengantar

Bahan optik nonlinier, terutama yang memiliki struktur 2D, meletakkan dasar pengembangan optoelektronik [1,2,3,4,5]. Grafena telah diselidiki secara intensif sebagai modulator optik untuk digunakan dalam laser berdenyut beragam dan hasil yang sangat baik diperoleh [6, 7]. Baru-baru ini, banyak bahan 2D baru seperti isolator topologi [8, 9], logam transisi dichalcogenide (TMD) [10,11,12,13,14], fosfor hitam [15], MXene [16], bismutena [17], kerangka logam-organik [18], dan perovskite [19] telah menunjukkan nonlinier optik broadband. Selain itu, bahan 2D ini dianggap sebagai bahan modulator optik generasi berikutnya yang menjanjikan [20, 21]. MoS₂ adalah semikonduktor TMD representatif dengan lapisan kristal yang terdiri dari tiga bidang heksagonal bolak-balik Mo dan S [22]. Tergantung pada koordinasi dan keadaan oksidasi atom logam transisi, MoS₂ dapat berupa semikonduktor atau logam di alam. Penyerapan saturable broadband dan kerentanan nonlinier orde ketiga yang tinggi telah dipelajari secara menyeluruh [23,24,25]. Karya terbaru menunjukkan bahwa MoS₂ memiliki respon penyerapan saturable yang lebih baik daripada graphene dengan menggunakan teknik Z-scan bukaan terbuka untuk sifat optik nonlinier ultracepat [26, 27]. Berdasarkan MoS₂ bahan, perangkat modulator optik yang sesuai telah berhasil digunakan untuk laser berdenyut. Sejauh ini, laser serat berdenyut dengan MoS₂ pada panjang gelombang pusat yang berbeda dari 635 nm, 980 nm, 1030 nm, 1560 nm, 1925 nm, dan 2950 nm telah dicapai [28,29,30,31,32,33]. Laser serat ultracepat berdasarkan MoS₂ memancarkan pulsa dengan durasi pulsa dari ratusan femtoseconds hingga beberapa picoseconds juga telah dilaporkan [34, 35]. Selain itu, laser serat berdenyut dengan tingkat pengulangan yang tinggi dengan MoS₂ telah direalisasikan [36, 37].

Biasanya, MoS₂ nanomaterial dibuat melalui metode pengelupasan mekanis (ME) [38], metode pengelupasan fase cair (LPE) [39], metode hidrotermal [40, 41], metode deposisi uap kimia (CVD) [42], deposisi laser berdenyut (PLD) metode [43], dan metode deposisi sputtering magnetron (MSD) [44]. Setiap metode memiliki kekuatan dan kelemahannya. Misalnya, metode ME adalah teknik yang dilaporkan pertama kali untuk mendapatkan struktur berlapis MoS₂ . Namun, metode ini memiliki kelemahan skalabilitas yang buruk dan hasil yang rendah, sehingga menghambat aplikasi skala besar. Untuk mengatasi cacat metode ME, CVD menawarkan pendekatan yang dapat dikontrol untuk produksi satu dan beberapa lapisan MoS₂ . Sedangkan untuk MoS₂ pertumbuhan, seringkali diperlukan perlakuan awal terhadap substrat. PLD dan MSD harus menjadi metode yang ideal untuk menumbuhkan MoS berkualitas tinggi₂ film langsung dengan ukuran dan area yang berbeda, tetapi dengan banyak cacat kristal. Teknologi yang dilaporkan untuk menggabungkan MoS₂ menjadi laser serat terutama dapat dibagi menjadi dua metode:(1) langsung mengapit MoS₂ -SA berbasis antara dua konektor serat dengan mencampur MoS₂ nanomaterial menjadi film polimer dan (2) mendepositkan MoS₂ nanomaterial pada serat tirus atau serat berbentuk D dengan menggunakan interaksi gelombang cepat berlalu dr ingatan. MoS tipe sandwich₂ modulator optik memiliki keunggulan fleksibilitas dan kenyamanan. Ini juga memiliki titik lemah kerusakan termal yang rendah. Metode gelombang cepat berlalu dr ingatan dapat meningkatkan ambang kerusakan SA, tetapi memiliki kekurangan dalam kerapuhan. Untuk aplikasi praktis, serat tirus atau modulator optik berbasis serat berbentuk D perlu dikemas, yang membuat prosedur fabrikasi menjadi sangat rumit. Oleh karena itu, membangun MoS yang terkontrol dengan baik₂ nanomaterial masih membutuhkan eksplorasi lebih dalam, dan meningkatkan metode fabrikasi yang efektif masih merupakan tujuan lama.

Dalam makalah ini, kami mendemonstrasikan metode baru untuk menyiapkan MoS₂ /SiO₂ bahan komposit dengan doping MoS₂ nanomaterial dalam kaca sol-gel. Seperti diketahui, metode sol-gel adalah pendekatan matang untuk menyiapkan gelas pada suhu rendah [45, 46]. Doping MoS₂ nanomaterial dalam kaca sol-gel tidak hanya memiliki kapasitas antioksidan yang baik, tetapi juga dapat secara efektif meningkatkan stabilitas mekanik. Selain itu, kaca sol-gel memiliki indeks bias yang sesuai dengan serat optik. Oleh karena itu, material komposit jenis ini menunjukkan ambang kerusakan lingkungan yang tinggi. Dengan memasukkan MoS yang diusulkan₂ /SiO₂ ke dalam rongga laser EDF, kami mencapai dua jenis operasi penguncian mode. Pada daya pompa 90 mW, operasi penguncian mode soliton konvensional diperoleh. Durasi pulsa adalah 780 fs. Dalam kisaran daya pompa 100–600 mW, kami juga mewujudkan operasi penguncian mode stabil lainnya. Lebar pulsa adalah 1,21 ps dan daya keluaran maksimum adalah 5,11 mW. Hasilnya menunjukkan bahwa MoS₂ /SiO₂ material komposit memiliki potensi besar untuk aplikasi laser serat mode-locked.

Metode

MoS₂ /SiO₂ Prosedur Persiapan Material Komposit

MoS₂ /SiO₂ bahan komposit dibuat dengan metode sol-gel. Pada langkah pertama, MoS₂ dispersi disiapkan dengan metode pengelupasan fase cair. Satu miligram MoS₂ nanosheets dimasukkan ke dalam 10 ml air deionisasi. Kemudian, MoS₂ dispersi ultrasonik selama 6 h dan kekuatan pembersih ultrasonik ditetapkan sebagai 90 W. Setelah proses sentrifugasi, kami memperoleh MoS yang stabil₂ larutan. Di sisi lain, tetraethoxysilane (TEOS), etanol, dan air deionisasi dicampur untuk preparasi gelas sol-gel. Pada langkah selanjutnya, MoS₂ larutan dan campuran TEOS dicampur. Kemudian, MoS₂ dan campuran TEOS diaduk untuk membentuk MoS₂ -kaca doping. Pada saat ini, asam klorida ditambahkan ke dalam campuran yang diperoleh untuk mengontrol PH pada nilai rendah. Melalui proses hidrolisis dan polikondensasi, MoS₂ -sol silika yang didoping diperoleh. Proses hidrolisis dan polikondensasi dapat digambarkan sebagai reaksi berikut:

$$ \mathrm{nSi}{\left({\mathrm{OC}}_2{\mathrm{H}}_5\right)}_4+{2\mathrm{nH}}_2\mathrm{O}=\mathrm{ nSi}{\left(\mathrm{OH}\right)}_4+{4\mathrm{nC}}_2{\mathrm{H}}_5\mathrm{OH}\ \left(\mathrm{hidrolisis}\ \mathrm {reaksi}\kanan) $$$$ \mathrm{nSi}{\left(\mathrm{OH}\kanan)}_4={\mathrm{nSiO}}_2+{2\mathrm{nH}}_2\mathrm{ O}\ \left(\mathrm{polikondensasi}\ \mathrm{reaksi}\kanan) $$

Selama proses hidrolisis, gugus alkoksida dari TEOS digantikan oleh gugus hidroksil. Pada proses polikondensasi, gugus Si-OH menghasilkan jaringan Si-O-Si. Untuk menghindari retak kaca sol-gel dan MoS₂ aglomerasi, MoS₂ -sol silika yang didoping diaduk pada suhu 50 °C selama 5 h. Kemudian, MoS₂ -sol silika yang didoping dimasukkan ke dalam sel plastik dan didiamkan pada suhu kamar selama 48 h. Pada langkah terakhir, masukkan sol silika ke dalam dry box pada suhu 60 °C selama 1 minggu untuk membentuk MoS padat₂ -kaca doping.

Rongga Laser Serat

Tata letak laser EDF dengan MoS₂ /SiO₂ material komposit ditampilkan pada Gambar. 1. Rongga laser cincin digunakan. Sumber pompa adalah dioda laser yang digabungkan serat (LD) dengan daya keluaran maksimum 650 mW, yang mengirimkan laser pompa ke dalam rongga laser melalui multiplexer divisi panjang gelombang (WDM). EDF sepanjang 1,2 m digunakan sebagai media penguatan. Isolator independen polarisasi (PI-ISO) digunakan untuk memastikan operasi searah di rongga laser cincin. Pengontrol polarisasi (PC) digunakan untuk mencapai status polarisasi yang berbeda. MoS₂ /SiO₂ bahan komposit terjepit di antara dua ferrules serat. Coupler optik 10/90 digunakan pada port keluaran rongga laser. Panjang total rongga osilator laser adalah sekitar 13,3 m.

Penyiapan eksperimental laser serat terkunci mode EDF

Hasil dan Diskusi

Karakterisasi MoS₂ /SiO₂ Bahan Komposit

Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2a, MoS yang disiapkan₂ /SiO₂ bahan komposit adalah warna coklat, menunjukkan MoS₂ nanosheets dimasukkan ke dalam kaca silika. Gambar 2b menunjukkan gambar SEM. MoS₂ /SiO₂ material komposit juga dicirikan oleh spektrometer sinar-X dispersif energi (EDS). Gambar 3 menunjukkan spektrum EDS, yang menunjukkan bahwa MoS yang disiapkan₂ /SiO₂ gelas mengandung tiga unsur (Mo, S, dan Si). Sifat optik nonlinier dari MoS₂ /SiO₂ kaca diselidiki oleh sistem pengukuran detektor kembar seimbang. Sumber laser pulsa adalah laser serat EDF buatan sendiri dengan panjang gelombang pusat 1550 nm, lebar pulsa 500 fs, dan tingkat pengulangan 23 MHz. Seperti dapat dilihat dari Gambar. 4, kedalaman modulasi (ΔT) dan intensitas saturable (I_sat ) diukur sebesar 3,5% dan 20,15 MW/cm² , masing-masing. Femtosecond Ti:laser safir (panjang gelombang pusat 800 nm, lebar pulsa 250 fs, tingkat pengulangan 100 kHz) digunakan sebagai sumber untuk menyelidiki kerusakan termal MoS₂ /SiO₂ bahan komposit. Kerusakan optik dari MoS₂ /SiO₂ muncul saat daya uji disetel ke 3,46 J/cm² , yang jauh lebih tinggi daripada cermin penyerap saturable semikonduktor (SESAM) (500 μJ/cm² ).

a Foto digital. b Gambar SEM

Spektrum EDS

Sifat optik nonlinier dari MoS₂ /SiO₂ bahan komposit

MoS₂ /SiO₂ Laser Serat Pengunci Mode

Hasil eksperimen penguncian mode soliton konvensional ditunjukkan pada Gambar 5. Operasi penguncian mode diamati pada daya pompa 90 mW yang menyertai fenomena histeresis [47]. Dengan menyesuaikan daya pompa lebih rendah ke 75 mW, status penguncian mode tetap dipertahankan. Spektrum optik pulsa penguncian mode pada daya pompa 90 mW digambarkan pada Gambar. 5a. Panjang gelombang pusat terletak pada 1557 nm dan lebar spektral 3-dB adalah 6 nm. Dapat dilihat dengan jelas bahwa sideband Kelly muncul di kedua sisi spektrum secara simetris, menunjukkan laser serat bekerja dalam keadaan penguncian mode soliton konvensional. Gambar 5b menunjukkan kinerja rangkaian pulsa, yang memiliki intensitas seragam. Interval dua pulsa adalah 64,2 ns, sesuai dengan waktu bolak-balik rongga. Untuk mempelajari lebih lanjut stabilitas pulsa soliton, spektrum frekuensi radio diukur. Gambar 5c menunjukkan bahwa tingkat pengulangan fundamental adalah 15,76 MHz dan rasio signal-to-noise (SNR) adalah 65 dB. Durasi pulsa diukur dengan autokorelator. Gambar 5d menunjukkan kurva autokorelasi. Lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM) diukur menjadi 1,21 ps, menunjukkan durasi pulsa adalah 780 fs jika Sech² cocok digunakan. Kami hanya meningkatkan daya pompa hingga 100 mW dan menjaga PC tidak berubah, laser masuk ke mode penguncian mode operasi pulsa ganda, menghadirkan ketidakstabilan dan fluktuasi, yang berarti penguncian mode beroperasi dalam rentang pompa yang sempit.

Hasil eksperimen soliton konvensional:a spektrum optik, b kereta pulsa, c spektrum frekuensi radio, d jejak autokorelasi

Selama percobaan, kami mencapai status penguncian mode lainnya. Dengan menyesuaikan daya pompa ke 100 mW dan rotasi PC, kami memperoleh status operasi penguncian mode ini. Gambar 6a merekam spektrum optik yang sesuai. Spektrum optik semakin lebar dengan meningkatnya daya pompa. Secara bertahap meningkatkan daya pompa hingga 600 mW, operasi penguncian mode ini selalu dapat dipertahankan. Diamati bahwa sisi-sisi muncul dalam spektrum optik dengan intensitas yang relatif kecil. Panjang gelombang pusat adalah 1557 nm dan lebar spektral 3-dB adalah 4 nm pada daya pompa 600 mW. Jejak osiloskop untuk status penguncian mode digambarkan pada Gambar. 6b; interval dua pulsa adalah 64,2 ns, memverifikasi bahwa laser serat bekerja dalam status penguncian mode dasar. Jejak autokorelasi ditampilkan pada Gambar. 6(c), full width at half maximum (FWHM) adalah 1,97 ps, yang berarti durasi pulsa adalah 1,21 ps jika Sech² cocok digunakan. Karakteristik daya keluaran rata-rata ditunjukkan pada Gambar. 6d. Ketika daya pompa meningkat, daya keluaran rata-rata meningkat hampir secara linier. Daya keluaran maksimum diukur menjadi 5,11 mW pada daya pompa 600 mW.

Hasil eksperimen:a spektrum optik, b kereta pulsa, c jejak autokorelasi, d daya keluaran

Kesimpulan

Sebagai kesimpulan, kami telah melaporkan MoS₂ /SiO₂ bahan komposit, yang disiapkan dengan menggabungkan MoS₂ nanomaterial dalam kaca sol-gel. Spektrum EDS mengidentifikasi komponen utama dari MoS yang disiapkan₂ /SiO₂ kaca. Kedalaman modulasi dan intensitas saturable dari MoS₂ /SiO₂ material komposit diukur menjadi 3,5% dan 20,15 MW/cm² , masing-masing. Laser serat terkunci mode dengan MoS₂ /SiO₂ lebih lanjut ditunjukkan. Status penguncian mode soliton konvensional dengan durasi pulsa 780 fs direalisasikan pada daya pompa 90 mW. Dalam kisaran daya pompa 100–600 mW, status penguncian mode stabil lainnya disajikan. Lebar pulsa adalah 1,21 ps dan daya keluaran maksimum adalah 5,11 mW. Hasil kami menunjukkan bahwa MoS₂ /SiO₂ material komposit memiliki prospek yang baik dalam fotonik ultracepat dan metode sol-gel menyediakan cara baru untuk fabrikasi perangkat optik TMD.