Absorbedor Saturable Compuesto MoS₂/SiO₂ Permite Láser de Fibra Er-Dopado Mode-Locked Sub-Nanosegundo

Resumen

El semiconductor bidimensional MoS₂ ha emergido como material prometedor para fotónica ultrarrápida debido a su absorción saturable de banda ancha y alta no linealidad de tercer orden. En este estudio, fabricamos un vidrio sol-gel dopado MoS₂, formando un compuesto MoS₂/SiO₂. El compuesto exhibe una profundidad de modulación del 3,5 % e intensidad saturable de 20,15 MW cm⁻², manteniendo un umbral de daño óptico de 3,46 J cm⁻² —marcadamente superior a espejos absorbedores saturables semiconductores convencionales. Incorporando el compuesto en un láser de fibra Er-dopado (EDF) de cavidad anular, logramos dos regímenes distintos de mode-locking: un estado solitón convencional a 90 mW potencia de bomba entregando pulsos de 780 fs, y un estado pulso largo estable en 100–600 mW produciendo pulsos de 1,21 ps con potencia promedio máxima de 5,11 mW. Estos resultados demuestran la viabilidad del compuesto como absorbedor saturable robusto y de alto umbral de daño para aplicaciones en láseres de fibra.

Introducción

Los materiales ópticos no lineales basados en estructuras bidimensionales (2D) sustentan dispositivos optoelectrónicos modernos. Mientras el grafeno ha probado ser efectivo como modulador de banda ancha, trabajos recientes han mostrado que dicalcogenuros de metales de transición (TMDs) como MoS₂ pueden proveer absorción saturable superior y mayor no linealidad de tercer orden. MoS₂ se ha integrado en láseres pulsados en longitudes de onda de 635 nm a 2950 nm, logrando duraciones de pulso de sub-femtosegundo a varios picosegundos, y operando a altas tasas de repetición. Métodos tradicionales de fabricación —exfoliación mecánica, exfoliación en fase líquida, CVD, PLD y sputtering magnetrón— cada uno tiene limitaciones en escalabilidad, densidad de defectos o robustez térmica. Los absorbedores saturables (SA) de MoS₂ existentes se incorporan típicamente intercalando nanomateriales embebidos en polímero entre ferrulas de fibra o depositando en fibras cónicas/forma-D, sin embargo estos enfoques sufren de bajos umbrales de daño o requisitos complejos de empaquetado. Para abordar estos desafíos, introducimos un compuesto MoS₂/SiO₂ fabricado vía técnica sol-gel, que combina la compatibilidad óptica de la sílice con la respuesta no lineal intrínseca de MoS₂, resultando en un SA duradero de alto umbral de daño.

Métodos

Preparación del Compuesto MoS₂/SiO₂

Las nano láminas MoS₂ se dispersaron primero en agua desionizada por exfoliación en fase líquida: 1 mg MoS₂ se sonicó por 6 h a 90 W, seguido de centrifugación para obtener solución estable. Separadamente, tetraetoxisilano (TEOS), etanol y agua se mezclaron para formar el precursor sol-gel. La dispersión MoS₂ se combinó con la mezcla TEOS y se agitó, luego se acidificó con HCl para mantener pH bajo. Reacciones de hidrólisis y policondensación produjeron un sol de sílice dopado MoS₂, que se agitó a 50 °C por 5 h para prevenir agrietamiento y agregación. El sol se envejeció a temperatura ambiente por 48 h, luego se secó en cámara a 60 °C por una semana, produciendo un vidrio sólido MoS₂/SiO₂.

Cavidad Láser de Fibra

El láser EDF de cavidad anular (13,3 m longitud total) incorporó 1,2 m fibra Er-dopada como medio de ganancia, diodo láser acoplado a fibra (650 mW máx) como fuente de bomba, y multiplexor de división de longitud de onda para combinar bomba y señal. Un aislador independiente de polarización aseguró operación unidireccional, y un controlador de polarización ajustó el estado intracavidad. El compuesto MoS₂/SiO₂ se intercaló entre dos ferrulas de fibra, y un acoplador 10/90 extrajo la salida. La cavidad se optimizó para soportar tanto regímenes de mode-locking solitón convencional como pulso largo.

Resultados y Discusión

Caracterización del Compuesto

La inspección óptica muestra un compuesto marrón indicativo de integración MoS₂. Imágenes MEB revelan dispersión uniforme de nano láminas MoS₂ dentro de la matriz sílice. Espectroscopía de rayos X dispersivos en energía confirma presencia de Mo, S y Si. Medidas con detector gemelo balanceado en láser 1550 nm, 500 fs, 23 MHz rinden profundidad de modulación 3,5 % e intensidad saturable 20,15 MW cm⁻². Un láser Ti:zafiro femtosegundo (800 nm, 250 fs) prueba el umbral de daño, medido en 3,46 J cm⁻² —significativamente mayor que SESAMs típicos (≈0,5 mJ cm⁻²).

Rendimiento Láser Fibra Mode-Locked

A 90 mW potencia bomba, la cavidad exhibe mode-locking solitón convencional con ancho de banda 3-dB 6 nm centrado a 1557 nm. El espectro radiofrecuencia muestra tasa repetición fundamental 15,76 MHz con SNR 65 dB. Autocorrelación revela 1,21 ps FWHM pulso, correspondiendo a pulsos 780 fs sech². Aumentando bomba a 100 mW desestabiliza régimen solitón, indicando ventana operativa estrecha.

Ajustando el controlador de polarización, emerge un segundo estado mode-locking estable, persistiendo 100–600 mW. El espectro óptico se ensancha con potencia bomba, manteniendo ancho 3-dB 4 nm a 600 mW. La duración pulso se extiende a 1,97 ps FWHM (1,21 ps sech²). La potencia salida escala linealmente con bomba, alcanzando 5,11 mW a 600 mW. Esto demuestra la capacidad del compuesto para soportar pulsos ultracortos y picosegundo en amplio rango de potencia.

Conclusiones

Hemos fabricado exitosamente un compuesto MoS₂/SiO₂ vía proceso sol-gel baja temperatura, logrando profundidad modulación 3,5 % e intensidad saturable 20,15 MW cm⁻². Integrado en láser EDF, el compuesto entrega pulsos 780 fs a 90 mW y pulsos 1,21 ps con 5,11 mW potencia promedio en 100–600 mW bomba. Estos hallazgos confirman el alto umbral daño, facilidad integración y versatilidad del compuesto, posicionándolo como candidato prometedor para dispositivos fotónicos ultrarrápidos próxima generación.

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

CVD:

Deposición química vapor

EDF:

Fibra Er-dopada

EDS:

Espectrómetro rayos X dispersivos energía

FWHM:

Ancho a media altura

I_sat:

Intensidad saturable

LD:

Diodo láser

LPE:

Exfoliación fase líquida

ME:

Exfoliación mecánica

MSD:

Deposición sputtering magnetrón

PC:

Controlador polarización

PI-ISO:

Aislador independiente polarización

PLD:

Deposición láser pulsado

SA:

Absorbedor saturable

SESAM:

Espejo absorbedor saturable semiconductor

SNR:

Relación señal-ruido

TEOS:

Tetraetoxisilano

TMD:

Dicalcogenuro metal transición

WDM:

Multiplexor división longitud onda

ΔT:

Profundidad modulación