Absorvedor Saturável de Compósito MoS₂/SiO₂ Permite Laser de Fibra Er-Dopado Mode-Locked Sub-Nanosegundo

Resumo

O semicondutor bidimensional MoS₂ emergiu como material promissor para fotônica ultrarrápida devido à sua absorção saturável de banda larga e alta não-linearidade de terceira ordem. Neste estudo, fabricamos um novo vidro sol-gel dopado com MoS₂, formando um compósito MoS₂/SiO₂. O compósito exibe profundidade de modulação de 3,5% e intensidade de saturação de 20,15 MW cm⁻², mantendo limiar de dano óptico de 3,46 J cm⁻² — marcadamente maior que espelhos absorvedores saturáveis de semicondutores convencionais. Incorporando o compósito em laser de fibra Er-dopado (EDF) de cavidade anelar, alcançamos dois regimes distintos de mode-locking: estado de sóliton convencional a 90 mW de potência de bomba entregando pulsos de 780 fs, e estado de pulso longo estável em 100–600 mW de potência de bomba produzindo pulsos de 1,21 ps com potência média máxima de saída de 5,11 mW. Esses resultados demonstram a viabilidade do compósito como absorvedor saturável robusto, de alto limiar de dano, para aplicações em lasers de fibra.

Introdução

Materiais ópticos não-lineares baseados em estruturas bidimensionais (2D) sustentam dispositivos optoeletrônicos modernos. Enquanto o grafeno provou ser eficaz como modulador de banda larga, trabalhos recentes mostraram que dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) como MoS₂ podem fornecer absorção saturável superior e maior não-linearidade de terceira ordem. MoS₂ foi integrado em lasers pulsados em comprimentos de onda variando de 635 nm a 2950 nm, alcançando durações de pulso de sub-femtosegundo a vários picossegundos, e operando em altas taxas de repetição. Métodos tradicionais de fabricação — exfoliação mecânica, exfoliação em fase líquida, CVD, PLD e sputtering por magnetron — cada um tem limitações em escalabilidade, densidade de defeitos ou robustez térmica. Absorvedores saturáveis (SAs) de MoS₂ existentes são tipicamente incorporados por sanduíche de nanomateriais embutidos em polímero entre ferrolas de fibra ou depositando em fibras afiladas/em forma de D, porém essas abordagens sofrem de baixos limiares de dano ou requisitos complexos de empacotamento. Para enfrentar esses desafios, introduzimos um compósito MoS₂/SiO₂ fabricado via técnica sol-gel, que combina a compatibilidade óptica da sílica com a resposta não-linear intrínseca do MoS₂, resultando em um SA durável, de alto limiar de dano.

Métodos

Preparação do Compósito MoS₂/SiO₂

Nanoflocos de MoS₂ foram primeiro dispersos em água deionizada por exfoliação em fase líquida: 1 mg de MoS₂ foi sonicado por 6 h a 90 W, seguido de centrifugação para obter solução estável. Separadamente, ortossilicato de tetraetila (TEOS), etanol e água foram misturados para formar precursor sol-gel. A dispersão de MoS₂ foi combinada com a mistura de TEOS e agitada, então acidificada com HCl para manter pH baixo. Reações de hidrólise e policondensação produziram um sol de sílica dopado com MoS₂, que foi agitado a 50 °C por 5 h para prevenir trincas e agregação. O sol foi envelhecido à temperatura ambiente por 48 h, então seco em câmara a 60 °C por uma semana, resultando em vidro sólido MoS₂/SiO₂.

Cavidade de Laser de Fibra

O laser EDF de cavidade anelar (comprimento total 13,3 m) incorporou fibra Er-dopada de 1,2 m como meio de ganho, diodo laser acoplado a fibra (650 mW máx) como fonte de bomba, e multiplexador de divisão de comprimento de onda para combinar bomba e sinal. Um isolador independente de polarização assegurou operação unidirecional, e um controlador de polarização ajustou o estado intracavidade. O compósito MoS₂/SiO₂ foi colocado entre duas ferrolas de fibra, e um acoplador 10/90 extraiu a saída. A cavidade foi otimizada para suportar ambos regimes de mode-locking de sóliton convencional e pulso longo.

Resultados e Discussão

Caracterização do Compósito

Inspeção óptica mostra compósito marrom indicativo de integração de MoS₂. Imagens de MEV revelam dispersão uniforme de nanoflocos de MoS₂ na matriz de sílica. Espectroscopia de raios X dispersiva em energia confirma presença de Mo, S e Si. Medidas com detector gêmeo balanceado em laser de 1550 nm, 500 fs, 23 MHz rendem profundidade de modulação de 3,5% e intensidade de saturação de 20,15 MW cm⁻². Laser Ti:sapphire de femtossegundo (800 nm, 250 fs) testa limiar de dano, medido em 3,46 J cm⁻² — significativamente maior que SESAMs típicos (≈0,5 mJ cm⁻²).

Desempenho de Laser de Fibra Mode-Locked

A 90 mW de potência de bomba, a cavidade exibe mode-locking de sóliton convencional com largura de banda de 3-dB de 6 nm centrada a 1557 nm. O espectro de radiofrequência mostra taxa de repetição fundamental de 15,76 MHz com SNR de 65 dB. Autocorrelação revela pulso de 1,21 ps FWHM, correspondendo a 780 fs de pulsos sech². Aumentando a bomba para 100 mW desestabiliza o regime de sóliton, indicando janela operacional estreita.

Ajustando o controlador de polarização, um segundo estado de mode-locking estável emerge, persistindo de 100 a 600 mW. O espectro óptico alarga com potência de bomba, mantendo largura de 3-dB de 4 nm a 600 mW. A duração do pulso estende-se a 1,97 ps FWHM (1,21 ps sech²). A potência de saída escala linearmente com a bomba, atingindo 5,11 mW a 600 mW. Isso demonstra a capacidade do compósito de suportar pulsos ultrarrápidos e de picossegundos em ampla faixa de potência.

Conclusão

Fabricamos com sucesso um compósito MoS₂/SiO₂ via processo sol-gel de baixa temperatura, alcançando profundidade de modulação de 3,5% e intensidade de saturação de 20,15 MW cm⁻². Quando integrado em laser EDF, o compósito entrega pulsos de 780 fs a 90 mW e pulsos de 1,21 ps com 5,11 mW de potência média em 100–600 mW de bomba. Esses achados confirmam o alto limiar de dano do compósito, facilidade de integração e versatilidade, posicionando-o como candidato promissor para dispositivos fotônicos ultrarrápidos de próxima geração.

Abreviações

2D:

Bidimensional

CVD:

Deposição química de vapor

EDF:

Fibra Er-dopada

EDS:

Espectrômetro de raios X dispersivo em energia

FWHM:

Largura total na metade do máximo

Iₛₐₜ:

Intensidade de saturação

LD:

Diodo laser

LPE:

Exfoliação em fase líquida

ME:

Exfoliação mecânica

MSD:

Deposição por sputtering de magnetron

PC:

Controlador de polarização

PI-ISO:

Isolador independente de polarização

PLD:

Deposição por laser pulsado

SA:

Absorvedor saturável

SESAM:

Espelho absorvedor saturável de semicondutor

SNR:

Razão sinal-ruído

TEOS:

Ortossilicato de tetraetila

TMD:

Dicalcogeneto de metal de transição

WDM:

Multiplexador de divisão de comprimento de onda

ΔT:

Profundidade de modulação