[发明专利]基于二维材料可饱和吸收体的硅基被动锁模外腔激光器

说明书

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。

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：