CN108711733A - 一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调q脉冲激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，包括依次连接的掺铒光纤放大器、光隔离器、偏振控制器、石墨烯和硅混合波导、光纤输出耦合器，所述石墨烯和硅混合波导的两端设置有垂直耦合光栅，该光栅通过耦合光纤与外部光纤系统连接，所述光纤输出耦合器的一端作为脉冲激光输出端，另一端与掺铒光纤放大器输入端连接形成环形腔结构。本发明结构简单、石墨烯可饱和吸收体不易损伤且石墨烯的质量便于监测，石墨烯的饱和吸收参数可以调控。
Description
技术领域
本发明属于脉冲光源领域，更具体地，涉及一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器。
背景技术
超短脉冲光源在通信、生物医药、国防军事等各领域都有极为重要的应用，超短脉冲的产生主要是基于锁模技术和调Q技术。调Q激光器可以产生脉宽从微秒到纳秒量级的脉冲激光，单脉冲能量一般是几十到几百纳焦。
调Q大致可分为电光调Q、声光调Q、被动式可饱和吸收体调Q。前面两种都属于主动调Q范畴，需要外加调制器控制激光谐振腔的损耗，存在体积大、成本高、结构紧凑性差、设计不灵活的缺点。而被动调Q由于不需要外加额外器件因而可以更简便更廉价地产高能量脉冲，采用在激光谐振腔中插入可饱和吸收体调节内腔损耗是获得调Q激光脉冲序列的一种重要方式。
近些年具有可饱和吸收性质的类似石墨烯、二硫化钼等新型纳米材料相继出现并且被广泛研究，因为这些材料以其独特的结构特性表现出优良的非线性光学特性，饱和吸收作用明显、恢复时间快，被广泛应用超短脉冲的产生系统中。传统的基于石墨烯的全光纤被动调Q脉冲激光器主要是在光纤端面或者侧面抛光光纤上面沉积石墨烯，此方法存在工艺复杂、石墨烯可饱和吸收体易损伤且石墨烯的质量难以监测，石墨烯的饱和吸收参数难以调控的缺点。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，由此解决现有技术存在工艺复杂、石墨烯可饱和吸收体易损伤且石墨烯的质量难以监测，石墨烯的饱和吸收参数难以调控的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，包括依次连接的掺铒光纤放大器、光隔离器、偏振控制器、石墨烯和硅混合波导、光纤输出耦合器，所述石墨烯和硅混合波导的两端设置有垂直耦合光栅，垂直耦合光栅通过耦合光纤与外部光纤系统连接，所述光纤输出耦合器的一端作为脉冲激光输出端，另一端与掺饵光纤放大器输入端连接形成环形腔结构。
进一步地，掺铒光纤放大器包括掺铒光纤、泵浦激光器以及相关的无源光器件，所述掺铒光纤中的铒离子是增益介质，所述泵浦激光器向掺铒光纤中注入能量从而激活铒离子，产生粒子数反转，对通信波段的信号光进行光放大。
进一步地，偏振控制器用于调节环形腔内光的偏振状态，使得石墨烯和硅混合波导与耦合光纤的耦合效率最高。
进一步地，石墨烯和硅混合波导为周期性地调节空腔内Q值的光开关。
进一步地，光纤输出耦合器包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口，用于将80％-100％的光信号送入环形腔，所述第二输出端口，用于对0％-20％的光信号进行检测，同时将0％-20％的光信号作为脉冲光源。
进一步地，石墨烯和硅混合波导包括：二氧化硅掩埋层、顶层硅和石墨烯。
进一步地，石墨烯为经过图形化处理后的单层石墨烯。
进一步地，二氧化硅掩埋层的厚度为1μm-3μm。
进一步地，顶层硅的厚度为200nm-300nm。
进一步地，石墨烯的长度为10μm-100μm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明利用依次连接的掺铒光纤放大器、光隔离器、偏振控制器、石墨烯和硅混合波导、光纤输出耦合器，所述石墨烯和硅混合波导的两端设置有垂直耦合光栅，该光栅通过耦合光纤与外部光纤系统连接，所述光纤输出耦合器的一端作为脉冲激光输出端，另一端与掺铒光纤放大器输入端连接形成环形腔结构。本发明结构简单，利用环形腔结构产生激光振荡，同时使用石墨烯作为可饱和吸收体在腔内周期性调节环形腔的Q值。单层石墨烯转移到硅波导器件表面上，使得石墨烯可饱和吸收体不易损伤且便于石墨烯质量的监测，可调控石墨烯的饱和吸收参数。
(2)本发明使用石墨烯和硅混合波导，该混合波导在较低的入射光功率(约为12mW)情况下可引起石墨烯的可饱和吸收效应，因此可以实现低功率下脉冲激光输出，石墨烯和硅混合波导中二氧化硅掩埋层的厚度为1μm-3μm，顶层硅的厚度为200nm-300nm，石墨烯的长度为10μm-100μm，进而可以降低脉冲激光器的运行功率和所需的泵浦激光功率。
(3)本发明中石墨烯为经过图形化处理后的单层石墨烯，利用石墨烯图形化工艺可以制造出石墨烯长度和位置任意定义的石墨烯和硅混合波导，实现石墨烯的调制深度可调，并且可以通过石墨烯的层数、长度以及掺杂情况等来改变石墨烯的吸收性质，包括饱和吸收性质和线性吸收损耗等参数。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的石墨烯和硅混合波导的三维结构示意图；
图3为本发明实施例提供的石墨烯和硅混合波导饱和吸收特性测量图；
图4为本发明实施例提供的脉宽为微秒级别的调Q脉冲激光的时域脉冲序列图；
图5为本发明实施例提供的调Q脉冲激光光谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例提供的一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，依次连接的掺铒光纤放大器1、光隔离器2、偏振控制器3、垂直耦合平台4、石墨烯和硅混合波导6、光纤输出耦合器7，所述石墨烯和硅混合波导6的两端通过耦合光纤5与垂直耦合平台4连接，所述光纤输出耦合器7的一端与石墨烯和硅混合波导6，所述光纤输出耦合器7的另一端与掺铒光纤放大器1连接形成环形腔结构。掺铒光纤放大器包括掺铒光纤、泵浦激光器和相关的无源光器件，其中铒离子是增益介质，泵浦激光器能向掺铒光纤中注入能量从而激活铒离子，产生粒子数反转，对通信波段的信号光进行光放大。偏振控制器用于调节腔内光的偏振状态，使得石墨烯和硅混合波导与耦合光纤的耦合效率最高。石墨烯和硅混合波导作为可饱和吸收体，对强度不同的光有不同的吸收系数，因此可工作为周期性地调节腔内Q值的光开关。光纤输出耦合器包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口，用于将80％-100％的光信号送入空腔，所述第二输出端口，用于对0％-20％的光信号进行检测，同时将0％-20％的光信号作为脉冲光源。所述硅波导与光纤的垂直耦合平台可以实现将硅片上传输的光与光纤中传输的光进行耦合，耦合效率随耦合角度和光栅结构而定。本发明可以在超低功率下实现调Q脉冲激光运行，在腔内光功率为1.5dBm(1.42mW)的情况下可实现脉宽为1.7μs的调Q脉冲激光运行。
本发明实施例优选地，光纤输出耦合器包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口，用于将90％的光信号送入空腔，所述第二输出端口，用于对10％的光信号进行检测，同时将10％的光信号作为脉冲光源。
调Q激光器的基本原理如下：光学谐振腔通常用品质因数Q来衡量腔内损耗的大小，Q值表达式如下：
其中n为介质折射率，L为谐振腔长度，λ为光波长，α为谐振腔的单程损耗，因此谐振腔的Q值与损耗α成正比。在腔内插入一个可饱和吸收体，该饱和吸收体属于非线性吸收介质，其光吸收系数随着入射光强的增加而减小，并最终趋于一个常数(即饱和)，其吸收系数模型如下：
其中I为入射光强，Is为饱和阈值，αS为饱和吸收系数，αNS为非饱和吸收系数。当光强很小时，吸收系数为αS+αNS，而当入射光强增大时，吸收系数逐渐减小，当I＞＞IS时，吸收系数趋于αNS。开始阶段腔内自发辐射弱，可饱和吸收体吸收系数大，光的透射率较低，谐振腔处于低Q值高损耗状态，激光起振阈值高，故不能形成激光振荡，在泵浦光的持续作用下，工作物质中反转粒子数积累，腔内自发辐射逐渐增强，直到可与饱和吸收体的饱和阈值IS相比拟时，可饱和吸收体吸收系数减小，透射率增大，此时激光谐振腔Q值瞬时增大，激光起振阈值骤降，产生激光振荡，输出调Q脉冲，随着反转粒子数的大量消耗，腔内光强迅速减弱，可饱和吸收体又恢复到高吸收的状态。如此过程重复，可饱和吸收体类似于一个周期性的光开关调节腔内Q值大小。
如图2所示，石墨烯和硅混合波导6包括：二氧化硅掩埋层6-1、顶层硅6-2和石墨烯6-3。石墨烯为经过图形化处理后的单层石墨烯，二氧化硅掩埋层的厚度为1μm-3μm，顶层硅的厚度为200nm-300nm，石墨烯的长度为10μm-100μm。
本发明实施例优选地，石墨烯和硅混合波导，包括2μm厚的二氧化硅掩埋层6-1和220nm厚的顶层硅6-2和经过图形化的单层石墨烯6-3，石墨烯的长度为40μm。其制备的具体过程为：
(1)使用绝缘衬底上的硅作为基底，所述绝缘衬底上的硅包括二氧化硅掩埋层和顶层硅；
(2)在顶层硅上悬涂光刻胶，使用电子束曝光在光刻胶上刻出波导图形后依次进行显影、定影操作，然后使用电感耦合等离子体刻蚀技术刻蚀顶层硅，然后把残胶用有机溶剂去掉，得到横截面为500nm×220nm的单模条状波导和对应的光子晶体耦合光栅；
(3)生长在铜基上的单层石墨烯通过聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)辅助的湿法转移技术转移到制作好的波导上；在覆盖有石墨烯的硅波导上悬涂PMMA光刻胶，再次使用电子束曝光在转移好的石墨烯刻出设置好的图形，最后进行氧气等离子体刻蚀，完成石墨烯的图形化工艺。石墨烯和硅混合波导在以直流激光为光源情况下饱和吸收特性测量图如图3所示，利用稳定的湿法转移石墨烯技术把单层或者多层石墨烯薄膜转移到硅波导上面，可以最大程度的不破坏石墨烯的固有结构和性质；当到达片上的光强达到12mW时，其透射率呈明显上升状态趋势，调制深度可达13％以上。
当腔内运行功率设置达到1.4mW左右时，可出现稳定的调Q脉冲，如图4所示，示波器可测出其脉宽为1.7μs，该脉冲的光谱图如图5所示，工作中心波长位于1560nm。
利用石墨烯图形化工艺可以制造出石墨烯长度和位置任意定义的石墨烯/硅波导器件，实现石墨烯的调制深度可调，并且可以通过石墨烯的层数、长度以及掺杂情况等来改变石墨烯的吸收性质，包括饱和吸收性质和线性吸收损耗等参数。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，其特征在于，包括依次连接的掺铒光纤放大器、光隔离器、偏振控制器、石墨烯和硅混合波导、光纤输出耦合器，所述石墨烯和硅混合波导的两端设置有垂直耦合光栅，垂直耦合光栅通过耦合光纤与外部光纤系统连接，所述光纤输出耦合器的一端作为脉冲激光输出端，另一端与掺饵光纤放大器输入端连接形成环形腔结构。
2.如权利要求1所述的一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，其特征在于，所述掺铒光纤放大器包括掺铒光纤、泵浦激光器以及相关的无源光器件，所述掺铒光纤中的铒离子是增益介质，所述泵浦激光器向掺铒光纤中注入能量从而激活铒离子，产生粒子数反转，对通信波段的信号光进行光放大。
3.如权利要求1或2所述的一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，其特征在于，所述偏振控制器用于调节环形腔内光的偏振状态，使得石墨烯和硅混合波导与耦合光纤的耦合效率最高。
4.如权利要求1或2所述的一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，其特征在于，所述石墨烯和硅混合波导为周期性地调节空腔内Q值的光开关。
5.如权利要求1或2所述的一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，其特征在于，所述光纤输出耦合器包括第一输出端口和第二输出端口，所述第一输出端口，用于将80％-100％的光信号送入环形腔，所述第二输出端口，用于对0％-20％的光信号进行检测，同时将0％-20％的光信号作为脉冲光源。
6.如权利要求1或2所述的一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，其特征在于，所述石墨烯和硅混合波导包括：二氧化硅掩埋层、顶层硅和石墨烯。
7.如权利要求6所述的一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，其特征在于，所述石墨烯为经过图形化处理后的单层石墨烯。
8.如权利要求6所述的一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，其特征在于，所述二氧化硅掩埋层的厚度为1μm-3μm。
9.如权利要求6所述的一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，其特征在于，所述顶层硅的厚度为200nm-300nm。
10.如权利要求6所述的一种基于石墨烯和硅混合波导的被动调Q脉冲激光器，其特征在于，所述石墨烯的长度为10μm-100μm。
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