Láser de fibra dopada con Er con bloqueo de modo mediante el uso de un absorbente saturable de MoS2 / SiO2

Resumen

El material en capas bidimensional (2D) MoS ₂ ha atraído numerosas atenciones para aplicaciones de electrónica y optoelectrónica. En este trabajo, un nuevo tipo de MoS ₂ -Se prepara material compuesto de vidrio sol-gel dopado. Las propiedades ópticas no lineales de MoS ₂ preparado / SiO ₂ El material compuesto se mide con una profundidad de modulación (ΔT) del 3,5% y una intensidad saturable (I _sat ) de 20,15 MW / cm ² . El umbral de daño óptico es 3,46 J / cm ² . Usando el MoS ₂ / SiO ₂ material compuesto como absorbente saturable (SA), se realiza un láser de fibra dopada con Er (EDF) de modo bloqueado pasivo. Los pulsos de bloqueo del modo solitón convencionales estables se generan con éxito con un ancho de pulso de 780 fs a una potencia de bomba de 90 mW. En el rango de potencia de la bomba de 100 a 600 mW, se obtiene otra operación de bloqueo de modo estable. El ancho de pulso es de 1,21 ps y la potencia de salida máxima es de 5,11 mW. Los resultados indican que MoS ₂ / SiO ₂ los materiales compuestos podrían ofrecer una nueva forma de aplicaciones ópticas.

Introducción

Los materiales ópticos no lineales, especialmente aquellos con estructuras 2D, sientan las bases del desarrollo de la optoelectrónica [1, 2, 3, 4, 5]. El grafeno se ha investigado intensamente como modulador óptico para su uso en diversos láseres pulsados y se obtienen excelentes resultados [6, 7]. Recientemente, numerosos materiales 2D novedosos como aislantes topológicos [8, 9], dicalcogenuro de metal de transición (TMD) [10,11,12,13,14], fósforo negro [15], MXene [16], bismuthene [17], Las estructuras organometálicas [18] y la perovskita [19] han demostrado no linealidades ópticas de banda ancha. Además, estos materiales 2D se consideran la próxima generación de materiales moduladores ópticos prometedores [20, 21]. El MoS ₂ es un semiconductor TMD representativo con capas de cristal que consta de tres planos hexagonales alternos de Mo y S [22]. Dependiendo de los estados de coordinación y oxidación de los átomos de metales de transición, MoS ₂ puede ser de naturaleza semiconductora o metálica. La absorción saturable de banda ancha y la alta susceptibilidad no lineal de tercer orden se han estudiado a fondo [23,24,25]. Trabajos recientes demuestran que el MoS ₂ tiene una mejor respuesta de absorción saturable que el grafeno mediante el uso de una técnica de exploración en Z de apertura abierta para obtener propiedades ópticas no lineales ultrarrápidas [26, 27]. Basado en MoS ₂ materiales, los correspondientes dispositivos moduladores ópticos se han utilizado con éxito para láseres pulsados. Hasta ahora, láseres de fibra pulsada con MoS ₂ a diferentes longitudes de onda centrales de 635 nm, 980 nm, 1030 nm, 1560 nm, 1925 nm y 2950 nm [28,29,30,31,32,33]. Láseres de fibra ultrarrápidos basados en MoS ₂ También se ha informado la emisión de pulsos con una duración de pulso de cientos de femtosegundos a unos pocos picosegundos [34, 35]. Además, láseres de fibra pulsada de alta tasa de repetición con MoS ₂ se han realizado [36, 37].

Por lo general, MoS ₂ Los nanomateriales se fabrican mediante el método de exfoliación mecánica (ME) [38], el método de exfoliación en fase líquida (LPE) [39], el método hidrotermal [40, 41], el método de deposición química en fase vapor (CVD) [42], el método de deposición por láser pulsado (PLD) método [43] y método de deposición por pulverización catódica con magnetrón (MSD) [44]. Cada método tiene sus fortalezas y debilidades. Por ejemplo, el método ME es la primera técnica reportada para obtener estructura en capas MoS ₂ . Sin embargo, este método tiene las desventajas de escasa escalabilidad y bajo rendimiento, lo que dificulta las aplicaciones a gran escala. Para superar los defectos del método ME, CVD ofrece un enfoque controlable para la producción de MoS ₂ de una o pocas capas . Mientras que para el MoS ₂ crecimiento, a menudo es necesario pretratar el sustrato. PLD y MSD deberían ser los métodos ideales para cultivar MoS ₂ de alta calidad película directamente con diferentes tamaños y áreas, pero con muchos defectos de cristal. La tecnología informada para incorporar MoS ₂ en láseres de fibra se puede dividir principalmente en dos métodos:(1) intercalar directamente el MoS ₂ -basadas en SA entre dos conectores de fibra mediante la mezcla de MoS ₂ nanomateriales en una película de polímero y (2) depositar el MoS ₂ nanomateriales en fibra cónica o fibra en forma de D mediante el uso de la interacción de onda evanescente. El MoS ₂ tipo sándwich Los moduladores ópticos tienen las ventajas de flexibilidad y conveniencia. También tiene el punto débil de un daño térmico bajo. El método de onda evanescente puede mejorar el umbral de daño de los SA, pero tiene el inconveniente de la frangibilidad. Para aplicaciones prácticas, es necesario empaquetar moduladores ópticos de fibra ahusada o basados en fibra en forma de D, lo que hace que el procedimiento de fabricación sea muy complicado. Por lo tanto, establecer un MoS ₂ de control preciso Los nanomateriales aún requieren una exploración más profunda, y mejorar el método de fabricación eficaz sigue siendo un objetivo de larga data.

En este artículo, demostramos un método novedoso para preparar el MoS ₂ / SiO ₂ materiales compuestos dopando el MoS ₂ nanomateriales en vidrio sol-gel. Como es bien sabido, el método sol-gel es un método maduro para preparar el vidrio a baja temperatura [45, 46]. Dopaje del MoS ₂ Los nanomateriales en el vidrio sol-gel no solo tienen virtudes de buena capacidad antioxidante, sino que también pueden aumentar efectivamente la estabilidad mecánica. Además, el vidrio sol-gel tiene un buen índice de refracción que coincide con la fibra óptica. Por tanto, este tipo de material compuesto presenta un umbral de daño medioambiental elevado. Al incorporar el MoS ₂ propuesto / SiO ₂ en la cavidad del láser EDF, logramos dos tipos de operación de bloqueo de modo. Con una potencia de bomba de 90 mW, se obtiene la operación de bloqueo en modo solitón convencional. La duración del pulso es de 780 fs. En el rango de potencia de la bomba de 100 a 600 mW, también realizamos otra operación de bloqueo de modo estable. El ancho de pulso es de 1,21 ps y la potencia de salida máxima es de 5,11 mW. Los resultados muestran que el MoS ₂ / SiO ₂ Los materiales compuestos poseen un gran potencial para aplicaciones de láser de fibra de modo bloqueado.

Métodos

MoS ₂ / SiO ₂ Procedimiento de preparación de materiales compuestos

El MoS ₂ / SiO ₂ Los materiales compuestos se preparan mediante el método sol-gel. En el primer paso, el MoS ₂ La dispersión se prepara mediante el método de exfoliación en fase líquida. Un miligramo de MoS ₂ Se colocan nanohojas en 10 ml de agua desionizada. Luego, el MoS ₂ La dispersión es ultrasónica durante 6 hy la potencia del limpiador ultrasónico se establece en 90 W. Después del proceso de centrifugación, obtenemos el MoS ₂ estable solución. Por otro lado, el tetraetoxisilano (TEOS), el etanol y el agua desionizada se mezclan para la preparación de vidrio sol-gel. En el siguiente paso, el MoS ₂ se mezclan la solución y la mezcla de TEOS. Luego, el MoS ₂ y la mezcla de TEOS se agita para formar el MoS ₂ -vidrio dopado. En este momento, se agrega el ácido clorhídrico a la mezcla obtenida para controlar el pH a bajo valor. Mediante el proceso de hidrólisis y policondensación, el MoS ₂ Se obtiene un sol de sílice dopado. El proceso de hidrólisis y policondensación se puede describir como las siguientes reacciones:

$$ \ mathrm {nSi} {\ left ({\ mathrm {OC}} _ 2 {\ mathrm {H}} _ 5 \ right)} _ 4+ {2 \ mathrm {nH}} _ 2 \ mathrm {O} =\ mathrm { nSi} {\ left (\ mathrm {OH} \ right)} _ 4+ {4 \ mathrm {nC}} _ 2 {\ mathrm {H}} _ 5 \ mathrm {OH} \ \ left (\ mathrm {hidrólisis} \ \ mathrm {reacción} \ derecha) $$$$ \ mathrm {nSi} {\ izquierda (\ mathrm {OH} \ derecha)} _ 4 ={\ mathrm {nSiO}} _ 2+ {2 \ mathrm {nH}} _ 2 \ mathrm { O} \ \ left (\ mathrm {policondensación} \ \ mathrm {reacción} \ right) $$

Durante el proceso de hidrólisis, los grupos alcóxido del TEOS son reemplazados por los grupos hidroxilo. En el proceso de policondensación, los grupos Si-OH producen las redes Si-O-Si. Para evitar el agrietamiento del vidrio sol-gel y MoS ₂ aglomeración, el MoS ₂ -soles de sílice dopados se agitan a 50 ° C durante 5 h. Luego, el MoS ₂ Se colocan sol de sílice dopado en las celdas de plástico y se envejecen a temperatura ambiente durante 48 h. En el paso final, coloque el sol de sílice en una caja seca a 60 ° C durante 1 semana para formar MoS sólido ₂ -vidrio dopado.

Cavidad de láser de fibra

El diseño del láser EDF con MoS ₂ / SiO ₂ El material compuesto se muestra en la Fig. 1. Se utiliza la cavidad del anillo láser. La fuente de la bomba es un diodo láser de fibra acoplada (LD) con una potencia de salida máxima de 650 mW, que envía el láser de la bomba a la cavidad del láser a través del multiplexor por división de longitud de onda (WDM). Se emplea un EDF de 1,2 m de longitud como medio de ganancia. Se utiliza un aislador independiente de polarización (PI-ISO) para garantizar el funcionamiento unidireccional en la cavidad del anillo láser. Se activa un controlador de polarización (PC) para lograr diferentes estados de polarización. Un MoS ₂ / SiO ₂ El material compuesto se intercala entre dos casquillos de fibra. El acoplador óptico 10/90 se utiliza en el puerto de salida de la cavidad láser. La longitud total de la cavidad del oscilador láser es de aproximadamente 13,3 m.

Configuración experimental de láser de fibra con bloqueo de modo EDF

Resultados y discusión

Caracterización de MoS ₂ / SiO ₂ Materiales compuestos

Como se muestra en la Fig. 2a, el MoS ₂ preparado / SiO ₂ el material compuesto es el color marrón, lo que indica el MoS ₂ Se incorporan nanohojas al vidrio de sílice. La figura 2b muestra la imagen SEM. El MoS ₂ / SiO ₂ El material compuesto también se caracteriza por un espectrómetro de rayos X de dispersión de energía (EDS). La Figura 3 muestra el espectro de EDS, que indica que el MoS ₂ preparado / SiO ₂ el vidrio contiene tres elementos (Mo, S y Si). Las propiedades ópticas no lineales de MoS ₂ / SiO ₂ el vidrio se investiga mediante el sistema de medición de detector doble equilibrado. La fuente de láser de pulso es el láser de fibra EDF de fabricación casera con una longitud de onda central de 1550 nm, un ancho de pulso de 500 fs y una tasa de repetición de 23 MHz. Como puede verse en la Fig.4, la profundidad de modulación (ΔT) y la intensidad saturable (I _sat ) se miden en 3,5% y 20,15 MW / cm ² , respectivamente. Se utiliza un láser de femtosegundo Ti:zafiro (longitud de onda central 800 nm, ancho de pulso 250 fs, frecuencia de repetición 100 kHz) como fuente para investigar el daño térmico de MoS ₂ / SiO ₂ material compuesto. El daño óptico del MoS ₂ / SiO ₂ aparece cuando la potencia de prueba se ajusta a 3,46 J / cm ² , que es mucho más alto que el del espejo absorbente saturable de semiconductores (SESAM) (500 μJ / cm ² ).

un Fotografías digitales. b Imagen SEM

Espectro EDS

Propiedades ópticas no lineales de MoS ₂ / SiO ₂ materiales compuestos

MoS ₂ / SiO ₂ Láser de fibra con bloqueo de modo

Los resultados experimentales de bloqueo de modo de solitón convencional se muestran en la Fig. 5. La operación de bloqueo de modo se observa a la potencia de bombeo de 90 mW que acompaña al fenómeno de histéresis [47]. Al ajustar la potencia de la bomba a 75 mW, el estado de bloqueo de modo aún se mantiene. El espectro óptico de pulsos de bloqueo de modo a la potencia de bombeo de 90 mW se muestra en la Fig. 5a. La longitud de onda central está ubicada en 1557 nm y el ancho espectral de 3 dB es de 6 nm. Puede verse claramente que las bandas laterales de Kelly aparecieron simétricamente en ambos lados del espectro, lo que indica que el láser de fibra funciona en el estado de bloqueo del modo solitón convencional. La figura 5b muestra el rendimiento del tren de pulsos, que tiene una intensidad uniforme. El intervalo de dos pulsos es 64,2 ns, correspondiente al tiempo de ida y vuelta de la cavidad. Para estudiar más a fondo la estabilidad del pulso de solitón, se mide el espectro de radiofrecuencia. La Figura 5c muestra que la tasa de repetición fundamental es de 15,76 MHz y la relación señal / ruido (SNR) es de 65 dB. La duración del pulso se mide con un autocorrelacionador. La figura 5d muestra la curva de autocorrelación. El ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) se mide en 1,21 ps, lo que indica que la duración del pulso es 780 fs si un Sech ² se utiliza el ajuste. Simplemente aumentamos la potencia de la bomba a 100 mW y mantenemos la PC sin cambios, el láser entra en un régimen de bloqueo de modo de operación de múltiples pulsos, presentando inestabilidad y fluctuaciones, lo que significa que el bloqueo de modo opera en un rango de bomba estrecho.

Resultados experimentales de solitones convencionales: a espectro óptico, b tren de pulsos, c espectro de radiofrecuencia, d traza de autocorrelación

Durante los experimentos, logramos otro estado de bloqueo de modo. Al ajustar la potencia de la bomba a 100 mW y la rotación de la PC, obtenemos este estado de operación de bloqueo de modo. La figura 6a registra el espectro óptico correspondiente. El espectro óptico se hace cada vez más amplio a medida que aumenta la potencia de la bomba. Aumentando gradualmente la potencia de la bomba a 600 mW, esta operación de bloqueo de modo siempre se puede mantener. Se observa que los lados aparecieron en el espectro óptico con una intensidad relativamente pequeña. La longitud de onda central es de 1557 nm y el ancho espectral de 3 dB es de 4 nm a la potencia de bombeo de 600 mW. La traza del osciloscopio para el estado de bloqueo de modo se muestra en la figura 6b; el intervalo de dos pulsos es 64,2 ns, verificando que el láser de fibra está funcionando en el estado de bloqueo de modo fundamental. La traza de autocorrelación se muestra en la Fig.6 (c), el ancho completo a la mitad del máximo (FWHM) es 1.97 ps, lo que significa que la duración del pulso es 1.21 ps si un Sech ² se utiliza el ajuste. Las características de potencia de salida promedio se muestran en la Fig. 6d. A medida que aumenta la potencia de la bomba, la potencia de salida promedio aumenta casi linealmente. La potencia de salida máxima se mide en 5,11 mW a la potencia de la bomba de 600 mW.

Resultados experimentales: a espectro óptico, b tren de pulsos, c traza de autocorrelación, d potencia de salida

Conclusión

En conclusión, hemos informado que MoS ₂ / SiO ₂ materiales compuestos, que se preparan incorporando el MoS ₂ nanomateriales en vidrio sol-gel. El espectro EDS identifica el componente principal de MoS ₂ preparado / SiO ₂ vidrio. La profundidad de modulación y la intensidad saturable de MoS ₂ / SiO ₂ los materiales compuestos se miden en 3,5% y 20,15 MW / cm ² , respectivamente. Láser de fibra de modo bloqueado con MoS ₂ / SiO ₂ se demuestra más a fondo. El estado de bloqueo del modo de solitón convencional con una duración de pulso de 780 fs se realiza con una potencia de bombeo de 90 mW. En el rango de potencia de la bomba de 100 a 600 mW, se presenta otro estado de bloqueo de modo estable. El ancho de pulso es de 1,21 ps y la potencia de salida máxima es de 5,11 mW. Nuestros resultados muestran que el MoS ₂ / SiO ₂ Los materiales compuestos poseen una buena perspectiva en fotónica ultrarrápida y el método sol-gel proporciona una nueva forma de fabricación de dispositivos ópticos TMD.