MoS₂/SiO₂複合飽和吸収体によるサブナノ秒モードロックEr添加ファイバーレーザーの実現

概要

二次元半導体MoS₂は、広帯域飽和吸収と高い三次非線形性により超高速フォトニクスの有望材料として台頭している。本研究では、MoS₂ドープゾルゲルガラスを作製し、MoS₂/SiO₂複合体を形成した。この複合体は変調深度3.5%、飽和強度20.15 MW cm⁻²を示し、従来の半導体飽和吸収ミラー（SESAM）を大きく上回る3.46 J cm⁻²の光損傷閾値を維持する。リングキャビティEr添加ファイバー（EDF）レーザーに組み込み、2つの異なるモードロック領域を達成：90 mWポンプでの従来ソリトン状態で780 fsパルス、100-600 mWポンプ範囲で安定なロングパルス状態で1.21 psパルス、最大平均出力5.11 mW。これらの結果は、ファイバーレーザー応用向けの堅牢で高損傷閾値飽和吸収体としての本複合体の実用性を実証する。

はじめに

二次元（2D）構造ベースの非線形光学材料は現代オプトエレクトロニクスデバイスの基盤である。グラフェンが広帯域変調器として有効であることが証明されている一方、近年の研究では遷移金属ダイカルコゲナイド（TMD）のMoS₂が優れた飽和吸収と高い三次非線形性を提供できることが示されている。MoS₂は635 nmから2950 nmの波長域でパルスレーザーに統合され、サブフェムト秒から数ピコ秒のパルス幅、高繰り返し率動作を達成してきた。従来の作製法（機械的剥離、液相剥離、CVD、PLD、マグネトロンスパッタリング）は、スケーラビリティ、欠陥密度、熱的堅牢性のいずれかに限界がある。既存のMoS₂飽和吸収体（SA）は通常、ポリマー埋め込みナノ材料をファイバーフェルール間に挟持するか、テーパー/D字型ファイバーに堆積させるが、これらは低損傷閾値や複雑なパッケージング要件に悩まされる。これらの課題に対処するため、シリカの光学的適合性とMoS₂の固有非線形応答を組み合わせたゾルゲル法によるMoS₂/SiO₂複合体を導入し、耐久性のある高損傷閾値SAを実現した。

実験方法

MoS₂/SiO₂複合体の調製

MoS₂ナノシートを液相剥離で分散：1 mg MoS₂を90 Wで6時間超音波処理後、遠心分離で安定溶液を得た。別途、テトラエトキシシラン（TEOS）、エタノール、水を混合しゾルゲル前駆体を調製。MoS₂分散液をTEOS混合液と合わせ撹拌、HClで低pHに酸性化。加水分解と縮合反応でMoS₂ドープシリカゾルを生成、50℃で5時間撹拌しクラックと凝集を防止。室温で48時間エージング後、60℃チャンバーで1週間乾燥し、固体MoS₂/SiO₂ガラスを得た。

ファイバーレーザーキャビティ

リングキャビティEDFレーザー（全長13.3 m）に、利得媒質として1.2 m Er添加ファイバー、ファイバ結合レーザーダイオード（最大650 mW）をポンプ源、波長分割多重化器でポンプと信号を結合。偏光非依存アイソレータで単方向動作確保、偏光コントローラーでキャビティ内偏光状態調整。MoS₂/SiO₂複合体を2つのファイバーフェルール間に挟持、10/90カプラで出力取り出し。従来ソリトンとロングパルス両モードロック領域をサポートするようキャビティを最適化。

結果と考察

複合体のキャラクタリゼーション

光学検査でMoS₂統合を示す茶色の複合体を確認。SEM像でシリカマトリックス内へのMoS₂ナノシート均一分散を観察。エネルギー分散型X線分光法でMo、S、Siの存在を確認。バランスドツイン検出器測定（1550 nm、500 fs、23 MHzレーザー）で変調深度3.5%、飽和強度20.15 MW cm⁻²を取得。フェムト秒Ti:サファイアレーザー（800 nm、250 fs）で損傷閾値試験、3.46 J cm⁻²を測定。これは典型的SESAM（約0.5 mJ cm⁻²）を大きく上回る。

モードロックファイバーレーザー性能

90 mWポンプで従来ソリトンモードロックを示し、1557 nm中心の6 nm 3-dB帯域幅。無線周波数スペクトルで基本繰り返し周波数15.76 MHz、SNR 65 dB。自己相関で1.21 ps FWHMパルス、780 fs sech²パルスに対応。ポンプを100 mWに増加するとソリトン領域が不安定化、狭い動作ウィンドウを示唆。

偏光コントローラー調整で第2の安定モードロック状態が出現、100-600 mWで持続。光スペクトルはポンプパワーに伴い拡大、600 mWで4 nm 3-dB幅を維持。パルス幅は1.97 ps FWHM（1.21 ps sech²）に延長。出力パワーはポンプに対して線形にスケールし、600 mWで5.11 mWに到達。本複合体が超短パルスとピコ秒パルスの両方を広いパワー範囲でサポート可能であることを実証。

結論

低温ゾルゲルプロセスでMoS₂/SiO₂複合体を作製し、変調深度3.5%、飽和強度20.15 MW cm⁻²を達成。EDFレーザーに統合し、90 mWで780 fsパルス、100-600 mWポンプで1.21 psパルスと5.11 mW平均出力を実現。高損傷閾値、容易な統合性、汎用性を確認し、次世代超高速フォトニクスデバイスの有力候補として位置づけられる。

略語

2D:

二次元

CVD:

化学気相成長

EDF:

Er添加ファイバー

EDS:

エネルギー分散型X線分光器

FWHM:

半値全幅

Iₛₐₜ:

飽和強度

LD:

レーザーダイオード

LPE:

液相剥離

ME:

機械的剥離

MSD:

マグネトロンスパッタリング堆積

PC:

偏光コントローラー

PI-ISO:

偏光非依存アイソレータ

PLD:

パルスレーザー堆積

SA:

飽和吸収体

SESAM:

半導体飽和吸収ミラー

SNR:

信号対雑音比

TEOS:

テトラエトキシシラン

TMD:

遷移金属ダイカルコゲナイド

WDM:

波長分割多重化器

ΔT:

変調深度