MoS2 / SiO2飽和吸収体を使用したモードロックErドープファイバーレーザー

要約

二次元（2D）層状材料MoS ₂ エレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクスアプリケーションで多くの注目を集めています。この作品では、新しいタイプのMoS ₂ ドープされたゾルゲルガラス複合材料が準備されます。準備されたMoS ₂の非線形光学特性 / SiO ₂ 複合材料は、3.5％の変調深度（ΔT）と可飽和強度（I _sat）で測定されます。）20.15 MW / cm ² 。光学的損傷のしきい値は3.46J / cm ² です。。 MoS ₂の使用 / SiO ₂ 可飽和吸収体（SA）としての複合材料、パッシブモードロックErドープファイバー（EDF）レーザーが実現されています。安定した従来のソリトンモードロックパルスは、90mWのポンプパワーで780fsのパルス幅で正常に生成されます。 100〜600 mWのポンプ出力範囲では、別の安定したモードロック動作が得られます。パルス幅は1.21psで、最大出力電力は5.11mWです。結果は、MoS ₂ / SiO ₂ 複合材料は、光学用途に新しい方法を提供する可能性があります。

はじめに

非線形光学材料、特に2D構造を持つ材料は、オプトエレクトロニクス開発の基礎を築きます[1,2,3,4,5]。グラフェンは、多様なパルスレーザーで使用するための光変調器として集中的に研究されており、優れた結果が得られています[6、7]。最近、トポロジカル絶縁体[8、9]、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）[10、11、12、13、14]、黒リン[15]、MXene [16]、ビスムテン[17]、金属有機フレームワーク[18]およびペロブスカイト[19]は、広帯域の光学的非線形性を示しています。さらに、これらの2D材料は、次世代の有望な光変調器材料と見なされています[20、21]。 MoS ₂ は、MoとSの3つの交互の六角形面からなる結晶層を備えた代表的なTMD半導体です[22]。遷移金属原子の配位と酸化状態に応じて、MoS ₂ 本質的に半導体または金属のいずれかである可能性があります。広帯域可飽和吸収と高い3次非線形感受性が徹底的に研究されています[23、24、25]。最近の作品は、MoS ₂ 超高速非線形光学特性のためのオープンアパーチャZスキャン技術を使用することにより、グラフェンよりも優れた可飽和吸収応答を示します[26、27]。 MoS ₂に基づく材料、対応する光変調器デバイスは、パルスレーザーにうまく使用されています。これまでのところ、MoS ₂を使用したパルスファイバーレーザー 635 nm、980 nm、1030 nm、1560 nm、1925 nm、および2950nmのさまざまな中心波長で達成されています[28、29、30、31、32、33]。 MoS ₂に基づく超高速ファイバーレーザーパルス幅が数百フェムト秒から数ピコ秒のパルスを放出することも報告されています[34、35]。さらに、MoS ₂を備えた高繰り返し率パルスファイバーレーザー実現されました[36、37]。

通常、MoS ₂ ナノ材料は、機械的剥離（ME）法[38]、液相剥離（LPE）法[39]、水熱法[40、41]、化学蒸着（CVD）法[42]、パルスレーザー堆積（PLD）によって製造されます。方法[43]、およびマグネトロンスパッタリング堆積（MSD）法[44]。すべての方法には長所と短所があります。たとえば、ME法は、層状構造MoS ₂を取得するために最初に報告された手法です。。ただし、この方法には、スケーラビリティが低く、歩留まりが低いという欠点があり、大規模なアプリケーションの妨げになります。 ME法の欠点を克服するために、CVDは単層および数層のMoS ₂を製造するための制御可能なアプローチを提供します。。 MoS ₂の場合成長、それはしばしば基板の前処理が必要です。 PLDとMSDは、高品質のMoS ₂を成長させるための理想的な方法です。サイズと面積が異なるが、多くの結晶欠陥があるフィルム。 MoS ₂を組み込むために報告されたテクノロジーファイバーレーザーへの変換は、主に2つの方法に分けることができます。（1）MoS ₂を直接挟む MoS ₂を混合することによる2つのファイバーコネクタ間のベースSA ナノ材料をポリマーフィルムに入れ、（2）MoS ₂を堆積させるエバネッセント波相互作用を使用したテーパーファイバーまたはD型ファイバー上のナノマテリアル。サンドイッチタイプのMoS ₂ 光変調器には、柔軟性と利便性という利点があります。また、熱による損傷が少ないという弱点もあります。エバネッセント波法はSAの損傷しきい値を高めることができますが、壊れやすさの欠点があります。実際のアプリケーションでは、テーパーファイバまたはD型ファイバベースの光変調器をパッケージ化する必要があり、製造手順が非常に複雑になります。したがって、細かく制御されたMoS ₂を確立します。ナノマテリアルは依然としてより深い探求を必要とし、効果的な製造方法を改善することは依然として長年の目標です。

この論文では、MoS ₂を準備するための新しい方法を示します。 / SiO ₂ MoS ₂をドープすることによる複合材料ゾルゲルガラス中のナノ材料。よく知られているように、ゾルゲル法は低温でガラスを調製するための成熟したアプローチです[45、46]。 MoSのドーピング₂ ゾルゲルガラスに含まれるナノ材料は、優れた抗酸化能力を備えているだけでなく、機械的安定性を効果的に高めることができます。また、ゾルゲルガラスは光ファイバーとの屈折率が良好です。したがって、このタイプの複合材料は、高い環境損傷しきい値を示します。提案されたMoS ₂を組み込むことによって / SiO ₂ EDFレーザーキャビティに、2種類のモードロック動作を実現します。 90 mWのポンプ出力で、従来のソリトンモードロック動作が得られます。パルス幅は780fsです。 100〜600 mWのポンプ出力範囲で、別の安定したモードロック動作も実現します。パルス幅は1.21psで、最大出力電力は5.11mWです。結果は、MoS ₂ / SiO ₂ 複合材料は、モードロックファイバーレーザーアプリケーションに大きな可能性を秘めています。

メソッド

MoS ₂ / SiO ₂ 複合材料の準備手順

MoS ₂ / SiO ₂ 複合材料は、ゾルゲル法によって調製されます。最初のステップでは、MoS ₂ 分散液は液相剥離法で調製します。 1ミリグラムのMoS ₂ ナノシートを10mlの脱イオン水に入れます。次に、MoS ₂ 分散液を6時間超音波洗浄し、超音波洗浄機の出力を90 Wに設定します。遠心分離プロセスの後、安定したMoS ₂が得られます。解決。一方、ゾルゲルガラスの調製には、テトラエトキシシラン（TEOS）、エタノール、および脱イオン水を混合します。次のステップでは、MoS ₂ 溶液とTEOS混合物を混合します。次に、MoS ₂ TEOS混合物を攪拌してMoS ₂を形成しますドープされたガラス。このとき、得られた混合物に塩酸を加え、PHを低く抑える。加水分解および重縮合プロセスを介して、MoS ₂ ドープされたシリカゾルが得られる。加水分解および重縮合プロセスは、次の反応として説明できます。

$$ \ mathrm {nSi} {\ left（{\ mathrm {OC}} _ 2 {\ mathrm {H}} _ 5 \ right）} _ 4 + {2 \ mathrm {nH}} _ 2 \ mathrm {O} =\ mathrm { nSi} {\ left（\ mathrm {OH} \ right）} _ 4 + {4 \ mathrm {nC}} _ 2 {\ mathrm {H}} _ 5 \ mathrm {OH} \ \ left（\ mathrm {hydrolysis} \ \ mathrm {反応} \ right）$$$$ \ mathrm {nSi} {\ left（\ mathrm {OH} \ right）} _ 4 ={\ mathrm {nSiO}} _ 2 + {2 \ mathrm {nH}} _ 2 \ mathrm { O} \ \ left（\ mathrm {polycondensation} \ \ mathrm {reaction} \ right）$$

加水分解プロセス中に、TEOSのアルコキシド基がヒドロキシル基に置き換えられます。重縮合プロセスでは、Si-OH基がSi-O-Siネットワークを生成します。ゾルゲルガラスの亀裂とMoS ₂を回避するため凝集、MoS ₂ ドープしたシリカゾルを50℃で5時間撹拌します。次に、MoS ₂ ドープされたシリカゾルはプラスチックセルに入れられ、室温で48時間エージングされます。最後のステップでは、シリカゾルを60°Cのドライボックスに1週間入れて、固体のMoS ₂を形成します。ドープガラス。

ファイバーレーザーキャビティ

MoS ₂を使用したEDFレーザーのレイアウト / SiO ₂ 複合材料を図1に示します。リングレーザーキャビティが使用されています。ポンプソースは、最大出力が650 mWのファイバー結合レーザーダイオード（LD）であり、波長分割マルチプレクサー（WDM）を介してポンプレーザーをレーザーキャビティに送ります。利得媒体として長さ1.2mのEDFを採用しています。偏光に依存しないアイソレータ（PI-ISO）を使用して、リングレーザーキャビティでの一方向の動作を保証します。偏光コントローラー（PC）は、さまざまな偏光状態を実現するために使用されます。 MoS ₂ / SiO ₂ 複合材料は2つのファイバーフェルールの間に挟まれています。 10/90光カプラはレーザーキャビティ出力ポートで使用されます。レーザー発振器キャビティの全長は約13.3mです。

結果と考察

MoS _{2の特性評価} / SiO ₂ 複合材料

図2aに示すように、準備されたMoS ₂ / SiO ₂ 複合材料は茶色で、MoS ₂を示します。ナノシートはシリカガラスに組み込まれています。図2bはSEM画像を示しています。 MoS ₂ / SiO ₂ 複合材料は、エネルギー分散型X線分光計（EDS）によっても特徴付けられます。図3はEDSスペクトルを示しています。これは、準備されたMoS ₂を示しています。 / SiO ₂ ガラスには3つの元素（Mo、S、Si）が含まれています。 MoS ₂の非線形光学特性 / SiO ₂ ガラスは、平衡型ツイン検出器測定システムによって調査されます。パルスレーザー光源は、中心波長が1550 nm、パルス幅が500 fs、繰り返し率が23MHzの自家製EDFファイバーレーザーです。図4からわかるように、変調深度（ΔT）と可飽和強度（I _sat ）は3.5％および20.15 MW / cm ² と測定されます、それぞれ。 MoS ₂の熱損傷を調査するための光源として、フェムト秒Ti：サファイアレーザー（中心波長800 nm、パルス幅250 fs、繰り返し率100 kHz）を使用します。 / SiO ₂ 複合材料。 MoS ₂の光学的損傷 / SiO ₂ テストパワーを3.46J / cm ² に調整すると表示されます、半導体可飽和吸収ミラー（SESAM）よりもはるかに高い（500μJ/ cm ² 。

MoS ₂ / SiO ₂ モードロックファイバーレーザー

従来のソリトンモードロックの実験結果を図5に示します。モードロック動作は、ヒステリシス現象を伴う90mWのポンプ出力で観察されます[47]。ポンプ出力を75mWに下げることにより、モードロック状態が維持されます。 90mWのポンプパワーでのモードロックパルスの光スペクトルを図5aに示します。中心波長は1557nmにあり、3dBのスペクトル幅は6nmです。ケリー側波帯がスペクトルの両側に対称的に現れていることがはっきりとわかります。これは、ファイバーレーザーが従来のソリトンモード同期状態で動作していることを示しています。図5bは、強度が均一なパルス列のパフォーマンスを示しています。 2つのパルスの間隔は64.2nsで、キャビティの往復時間に対応します。ソリトンパルスの安定性をさらに研究するために、無線周波数スペクトルが測定されます。図5cは、基本的な繰り返しレートが15.76 MHzであり、信号対雑音比（SNR）が65dBであることを示しています。パルス幅は自己相関器によって測定されます。図5dは、自己相関曲線を示しています。半値全幅（FWHM）は1.21 psと測定され、Sech ² の場合、パルス幅は780fsであることを示しています。フィットが使用されます。ポンプパワーを100mWに上げ、PCを変更せずに維持すると、レーザーは複数パルス動作モードロックレジームに入り、不安定性と変動を示します。つまり、モードロックは狭いポンプ範囲で動作します。

実験中に、別のモードロック状態を実現します。ポンプ出力を100mWに調整し、PCを回転させることにより、このモードロック動作状態が得られます。図6aは、対応する光スペクトルを記録しています。ポンプパワーが増加するにつれて、光スペクトルはますます広くなっています。ポンプ出力を徐々に600mWに上げると、このモードロック動作を常に維持できます。側面が比較的小さな強度で光学スペクトルに現れたことが観察される。中心波長は1557nm、3dBスペクトル幅は600mWのポンプパワーで4nmです。モードロック状態のオシロスコープのトレースを図6bに示します。 2つのパルスの間隔は64.2nsであり、ファイバーレーザーが基本モードロック状態で動作していることを確認します。自己相関トレースを図6（c）に示します。半値全幅（FWHM）は1.97 psです。これは、Sech ² の場合、パルス幅が1.21psであることを意味します。フィットが使用されます。平均出力電力特性を図6dに示します。ポンプ出力が増加すると、平均出力出力はほぼ直線的に増加します。最大出力電力は、600mWのポンプ電力で5.11mWと測定されています。

結論

結論として、MoS ₂を報告しました / SiO ₂ MoS ₂を組み込んで作成された複合材料ゾルゲルガラス中のナノ材料。 EDSスペクトルは、準備されたMoS ₂の主成分を識別します / SiO ₂ ガラス。 MoS ₂の変調深度と可飽和強度 / SiO ₂ 複合材料の測定値は3.5％および20.15 MW / cm ² 、それぞれ。 MoS ₂を備えたモードロックファイバーレーザー / SiO ₂ さらに示されています。パルス幅780fsの従来のソリトンモード同期状態は、90mWのポンプ出力で実現されます。 100〜600 mWのポンプ出力範囲では、別の安定したモードロック状態が示されます。パルス幅は1.21psで、最大出力電力は5.11mWです。私たちの結果は、MoS ₂ / SiO ₂ 複合材料は超高速フォトニクスにおいて有望であり、ゾルゲル法はTMD光学デバイスの製造のための新しい方法を提供します。