CN110911958A - 基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器 - Google Patents

基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器 Download PDF

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郭宇耀
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Abstract

一种基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器，包括反射型半导体光放大器、可饱和吸收体、光斑尺寸转换器、螺线形硅波导和反射镜。本发明使用二维材料如过渡金属硫族化合物，石墨烯，或碳纳米管来实现可饱和吸收体，利用其窄带隙、超快电子弛豫时间和高损伤阈值的特点，可得到窄脉冲宽度、高重复频率和高光谱纯度的锁模激光输出。其良好的机械柔性允许其沉积在硅和二氧化硅衬底上，与超低损耗无源螺线形硅波导相连构成外腔激光器结构，进一步缩减脉冲宽度。本发明拥有稳定的模式锁定操作和Q开关操作，具有结构紧凑、制造成本低、能耗低的优点。

Description

基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器
技术领域
本发明涉及光通信的集成光学领域，具体涉及一种基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器。
背景技术
超短脉冲激光具有峰值功率高、作用时间短、光谱宽等优点，在基础科学、医疗、航空航天、量子通信、军事等领域有着广泛的应用。而集成化锁模半导体激光器通过片上集成可饱和吸收体，可以实现高脉冲重复率(几十GHz)和高稳定性(在KHz范围内)。但由于传统的可饱和吸收体工作带宽狭窄，制造工艺复杂，会带来激光损伤及损耗等问题。这不仅制约着所产生的激光脉宽与功率，也会影响到长期运行的可靠性。因此研究发展具有高损伤阈值及低损耗的新型可饱和吸收体，倍受激光专家和材料专家的关注。近十年来，随着凝聚态物理与材料制备技术的发展，碳纳米管、石墨烯、拓扑绝缘体、二维纳米材料等新型材料由于具备窄带隙、超快电子弛豫时间和高损伤阈值等特点，表现出优良的可饱和吸收特性，利用该类材料的被动锁模激光研究也成为人们广泛关注的热点研究内容之一。
已有学者研究用于超快光子应用的2D二硫化钨(WS2)基可饱和吸收体(SA)。采用液相剥离法制备WS2纳米片，并将其嵌入聚乙烯醇(PVA)薄膜中进行实际应用。在WS2-PVA SA中，在1550nm附近的通信波长处发现了可饱和吸收。通过将WS2-PVA SA结合到光纤激光腔中，实现了稳定模式锁定操作和Q开关操作。在模式锁定操作中，激光器在射频频谱中获得飞秒输出脉冲宽度和高光谱纯度。在Q开关操作中，激光具有可调的重复率和几十纳焦的输出脉冲能量。
2015年，以新加坡南洋理工大学为第一单位的研究团队使用石墨烯作为可饱和吸收体实现的全光纤大功率石墨烯锁模掺杂激光器在中心波长1879.4nm处产生7.8MHz脉冲，脉冲宽度4.7ps；2016年，另一研究团队使用高质量化学气相沉积法沉积得到的单层石墨烯锁模激光器实现了以1068nm为中心的稳定的30fs脉冲，脉冲重复频率约为113.5MHz；2018年，南京大学徐飞教授和陆延青教授带领的研究团队将石墨烯与二硫化钼(MoS2)和二硫化钨(WS2)这两种能带交错的二维材料结合形成范德瓦尔斯异质结，增强了可饱和吸收体的载流子迁移率，进一步提高了光响应速度，又增加了探测波长范围。随着单层石墨烯制备工艺的日益成熟，用石墨烯和过渡金属硫族化合物实现更高性能的被动锁模激光器成为可能。
与此同时，2018年，来自韩国科学技术院的FaibianRotermund教授和韩国电气研究院的Guang-Hoon Kim教授合作研究团队展示了重复频率大于500MHz的碳纳米管锁模的飞秒激光器。可稳定工作在1.5um波长附近，输出功率为147mw，脉冲宽度110fs。为目前实现的最高重复频率激光器。
发明内容
本发明在上述基于二维材料饱和吸收体实现的被动锁模光纤激光器基础上，将该类二维材料应用于硅基混合集成外腔激光器中，提供一种基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器，该激光器结合超低损耗硅波导来延长谐振腔长度，减少总谐振腔内有源部分长度的占比，加上硅波导非线性响应弱的优势，使输出的锁模激光具备窄脉冲宽度、高重复频率和高光谱纯度的优点。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器，其特点在于包括反射型半导体光放大器、可饱和吸收体、光斑尺寸转换器、螺线形硅波导和反射镜；所述反射型半导体光放大器的输出端与所述的可饱和吸收体的一端相连，所述的可饱和吸收体的另一端与所述的光斑尺寸转换器的输入端相连，所述的光斑尺寸转换器的输出端与所述的螺线形硅波导的一端相连，所述的螺线形硅波导的另一端连接所述的反射镜，反射镜的输出端即本激光器的输出端。
所述的反射型半导体光放大器的一端具有高反射率(反射率≥90％),另一端具有低反射率(反射率≤0.005％)，所述的低反射率端即为反射型半导体光放大器的输出端；所述的反射型半导体光放大器的增益波长处于通信波段，可以用III-V量子阱或量子点材料实现。
所述的可饱和吸收体的材料为WSe2、MoSe2、WS2、WTe2、MoS2、石墨烯或碳纳米管，所述的可饱和吸收体可采用透镜与可饱和吸收体空间光耦合方式代替。
所述的光斑尺寸转换器为倒锥型耦合器或悬空波导模斑变换器。
所述的螺线形硅波导为绝缘体上硅波导、氮化硅波导或氧化硅波导。
所述的反射镜为萨尼亚克(Sagnac)反射环或布拉格光栅结构。
在上述技术方案的基础上，所述激光器的自由光谱范围通过公式
Figure BDA0002287464040000021
Figure BDA0002287464040000022
得到，其中，FSR为自由光谱范围，λ为微环的谐振波长，Δλ为相邻谐振峰之间的波长间隔，ng为激光器谐振腔的波导群折射率，L为谐振腔的周长；所述激光器谐振腔的波导群折射率与长度乘积通过公式2ngL＝2ng-SOALSOA+2ng-SOILSOI得到，其中，ng-SOA为半导体光放大器的群折射率，LSOA为半导体光放大器的腔体长度，ng-SOI为硅波导的群折射率，LSOI为硅波导的长度(包括螺线形波导和萨尼亚克反射环)。
本发明和现有技术相比，有益效果主要体现在如下方面：
与传统的可饱和吸收体材料相比，本发明过渡金属硫族化合物、碳纳米管、石墨烯等二维材料具有窄带隙、超快电子弛豫时间和高损伤阈值等特点，可进一步缩短脉冲宽度，增加输出光功率，提高脉冲重复率，同时具有更稳定的锁模操作和Q开关操作。
本发明采用超低损耗硅波导来延长谐振腔长度，硅波导损耗低、非线性响应弱，用硅波导构成锁模激光器的外腔有助于进一步提升性能。
沉积在硅波导表面的可饱和吸收体在保证性能的情况下可允许更长的长度来增强其饱和吸收特性，从而使得锁模激光器具备更好的性能。
本发明硅基被动锁模外腔激光器具有体积小、能耗低和结构紧凑的特点，适用范围广。
附图说明
图1为本发明基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器实施例1示意图，其中可饱和吸收体使用镀膜工艺镀在硅芯片侧面。
图2为本发明利用透镜空间光耦合方式实现的基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器实施例2示意图。
图3为本发明利用表面沉积法实现的基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器实施例3示意图。
具体实施方式
为了进一步阐明本技术方案的目的、技术方案及核心优势，下文结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。下述具体实施例仅起解释目的，并不用于限定本发明。
由图可见，本发明基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器，包括反射型半导体光放大器101、可饱和吸收体102、光斑尺寸转换器103、螺线形硅波导104和反射镜105；所述反射型半导体光放大器101的输出端与所述的可饱和吸收体102的一端相连，所述的可饱和吸收体102的另一端与所述的光斑尺寸转换器103的输入端相连，所述的光斑尺寸转换器103的输出端与所述的螺线形硅波导104的一端相连，所述的螺线形硅波导104的另一端连接所述的反射镜105。反射镜105的输出端即本激光器的输出端。
在图1、图2、图3所述实施例中，所述的反射型半导体光放大器101一端设为高反射率(反射率≥90％)，另一端设为低反射率(反射率≤0.005％)，所述的低反射率端与所述的光斑尺寸转换器102的一端相连。
在图1、图2所述实施例中，所述的可饱和吸收体102可采用WSe2,MoSe2，WTe2，WS2和MoS2等过渡金属硫化物或石墨烯、碳纳米管等二维材料实现。图3所述实施例中，所述的可饱和吸收体102为透镜与可饱和吸收体空间光耦合的结构。
在图1、图2、图3所述实施例中，所述的光斑尺寸转换器103为倒锥耦合器，在实际实施过程中，也可采用其他具有光斑尺寸转换功能的结构。
在图1、图2、图3所述实施例中，所述的反射镜105为反射率约40％的Sagnac反射环，在实际实施过程中，也可以采用布拉格光栅等其他反射结构。
在图1、图2、图3所述实施例中，除反射型半导体光放大器101和可饱和吸收体102外，其余部件均由硅波导实现。所述的反射型半导体光放大器101和可饱和吸收体102通过对接耦合方式进行对准，在实际实施过程中，也可以采用倒装、键合等方式进行对准。
在图1、图2、图3所述实施例中，所述的被动锁模外腔激光器的自由光谱范围
Figure BDA0002287464040000041
其中λ为微环的谐振波长，Δλ为相邻谐振峰之间的波长间隔，ng为外腔激光器谐振腔的波导群折射率，L为微环的周长；所述激光器谐振腔的波导群折射率通过公式ngL＝ng-SOALSOA+ng-SOILSOI得到，其中，ng-SOA为反射型半导体光放大器的群折射率，LSOA为反射型半导体光放大器的腔体长度，ng-SOI为螺线形硅波导的群折射率，LSOI为螺线形硅波导的长度。
在图1所述实施例中，反射型半导体光放大器101通电后产生泵浦光，泵浦光以对接耦合的方式耦合进入可饱和吸收体102，之后耦合进入光斑尺寸转换器103的输入端，之后光斑尺寸转换器103的输出端连接螺线形硅波导104，进入硅波导104的光在到达终端的反射镜105之后部分出射，部分反馈，反馈光维持腔内振荡，并在腔内来回经过可饱和吸收体102的过程中完成锁模操作。
在图2所述实施例中，反射型半导体光放大器101通电后产生的泵浦光通过透镜以空间光耦合的形式进入到嵌入在聚乙烯醇(PVA)薄膜内的可饱和吸收体102内，之后输出的发散光再被透镜收集并耦合进入可以适当扩大光斑增强耦合效果的光斑尺寸转换器103内，之后光斑尺寸转换器103的输出端连接螺线形硅波导104，进入硅波导104的光在到达终端的反射镜105之后部分出射，部分反馈，反馈光维持腔内振荡，并在腔内来回经过可饱和吸收体102的过程中完成锁模操作。
在图3所述实施例中，超薄可饱和吸收体102以化学气相沉积(CVD)、机械剥离、原子层沉积(ALD)等方法沉积在硅波导104表面，光在经过这一区域时以倏逝耦合的形式从硅波导104进入到可饱和吸收体102，再从可饱和吸收体102耦合进入下面的硅波导当中。此过程中为了增强上下层的耦合效率，可增加硅垂直绝热耦合器。反射型半导体光放大器101通电后产生的泵浦光直接通过对接耦合的方式耦合进入硅基光斑尺寸转换器103，光斑尺寸转换器103的输出端连接螺线形硅波导104，进入硅波导104的光耦合进入上层沉积的可饱和吸收体102，再通过垂直绝热耦合器耦合进入下方硅波导104，进入硅波导104的光在到达终端的反射镜105之后部分出射，部分反馈，反馈光维持腔内振荡，并在腔内来回经过可饱和吸收体102的过程中完成锁模操作。
本发明的工作原理是，在整个激光器的谐振腔内，初始的多个激光纵模之间具有随机的相位关系，它们彼此之间互相干涉。在线性放大期间，发生自然模选，同时放大过程中频谱变窄，被放大的信号起伏得到平滑和加宽；当腔内的光强超过可饱和吸收体102的饱和光强之后，可饱和吸收体102的吸收特性就变成了非线性。较强功率的光脉冲得到快速增长，而较小功率的光脉冲受到可饱和吸收体吸收而被有效的抑制，这就使得出射光脉冲变窄；而当吸收跃迁完全饱和时，光强度已足够高，其余的小脉冲几乎完全被抑制，此时输出的便是一个高强度的脉冲序列。
本发明使用二维材料如过渡金属硫族化合物来实现可饱和吸收体，利用其窄带隙、超快电子弛豫时间和高损伤阈值的特点，可得到窄脉冲宽度、高重复频率和高光谱纯度的锁模激光输出。其良好的机械柔性允许其沉积在硅和二氧化硅衬底上，与超低损耗无源螺线形硅波导相连构成外腔激光器结构，进一步缩减脉冲宽度。本发明拥有稳定的模式锁定操作和Q开关操作，具有结构紧凑、制造成本低、能耗低的优点。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器，其特征在于包括反射型半导体光放大器(101)、可饱和吸收体(102)、光斑尺寸转换器(103)、螺线形硅波导(104)和反射镜(105)；
当可饱和吸收体镀在硅芯片侧面或外面时，所述反射型半导体光放大器(101)的输出端与所述的可饱和吸收体(102)的一端相连，所述的可饱和吸收体(102)的另一端与所述的光斑尺寸转换器(103)的输入端相连，所述的光斑尺寸转换器(103)的输出端与所述的螺线形硅波导(104)的一端相连，所述的螺线形硅波导(104)的另一端连接所述的反射镜(105)，反射镜(105)的输出端即本激光器的输出端；
当可饱和吸收体沉积在硅波导(104)的上1表面时，所述反射型半导体光放大器(101)的输出端与所述的光斑尺寸转换器(103)的输入端相连，所述的光斑尺寸转换器(103)的输出端与所述的螺线形硅波导(104)的一端相连，所述的螺线形硅波导(104)的另一端连接所述的反射镜(105)，反射镜(105)的输出端即本激光器的输出端。
2.如权利要求1所述的基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器，其特征在于：所述的反射型半导体光放大器(101)的一端具有高反射率(反射率≥90％),另一端具有低反射率(反射率≤0.005％)，所述的低反射率端即为反射型半导体光放大器(101)的输出端；所述的反射型半导体光放大器(101)的增益波长处于通信波段，可以用III-V量子阱或量子点材料实现。
3.如权利要求1所述的基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器，其特征在于，所述的可饱和吸收体(102)的材料为WSe2、MoSe2、WS2、WTe2、MoS2、石墨烯或碳纳米管，所述的可饱和吸收体(102)可采用透镜与可饱和吸收体空间光耦合方式代替。
4.如权利要求1所述的基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器，其特征在于，所述的光斑尺寸转换器(103)为倒锥型耦合器或悬空波导模斑变换器。
5.如权利要求1所述的基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器，其特征在于，所述的螺线形硅波导(104)为绝缘体上硅波导、氮化硅波导或氧化硅波导。
6.如权利要求1所述的基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器，其特征在于，所述的反射镜(105)为萨尼亚克(Sagnac)反射环或布拉格光栅结构。
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