Selama beberapa dekade terakhir, pembangkitan laser pulsa ultrashort telah menarik banyak minat peneliti dalam bidang teknologi laser serat sebagai sumber energi yang berharga, menyediakan pulsa dengan durasi beberapa picoseconds hingga femtoseconds. Karena daya puncaknya yang tinggi dan durasinya yang pendek, laser pulsa ultrashort memungkinkan berbagai aplikasi fotonik seperti komunikasi serat optik, pencitraan dan metrologi, manufaktur industri, dan obat-obatan. Teknik yang paling umum untuk menghasilkan laser pulsa ultra-pendek adalah penguncian ragam (mode) pasif, yang menggunakan komponen optik yang disebut penyerap saturable (SA). Sifat yang diinginkan dari SA dalam menghasilkan pembentukan pulsa yang kuat dan stabil adalah penyerapan pita lebar, penyerapan jenuh yang besar, ambang kerusakan yang tinggi, intensitas optik jenuh yang kecil, kemudahan untuk digabungkan, dan biaya rendah. Penemuan graphene pada tahun 2004, bahan dua dimensi (2D) telah meletakkan dasar yang menjanjikan, memacu peluang baru untuk bahan 2D lainnya dalam pembangkitan pulsa mode-locked. Sebagai lapisan tunggal atom karbon yang terikat bersama dalam kisi dua dimensi (2D), graphene memiliki sifat optik dan fotonik yang luar biasa seperti waktu respons yang cepat, nonlinier yang kuat, respons optik yang lebar dari inframerah menengah (MIR) hingga jauh (FIR), dan respons optik nonlinier yang seragam pada wilayah spektral yang luas. Jumlah bahan 2D yang tersedia untuk aplikasi fotonik telah sangat meningkat karena terobosan dalam penemuan graphene. Minat penelitian yang lebih signifikan dalam mendemonstrasikan SA yang menjanjikan juga telah meningkat sejak saat itu. Dengan munculnya perangkat SA berdasarkan bahan berlapis 2D seperti isolator topologi, fosfor hitam (BP), dan dichalcogenides logam transisi (TMDs) telah terus menguntungkan kemajuan dalam laser serat ultrashort-pulsa.
Akhir-akhir ini, bahan pirit besi (FeS2) menunjukkan hasil yang mengesankan dalam aplikasi elektronik portabel, fotokatalis, dan sel surya tersensitisasi pewarna. Hal ini dikaitkan dengan sifat koefisien penyerapan optik yang tinggi, mobilitas elektron yang sangat baik, dan celah pita energi yang sesuai. FeS2 juga telah dilaporkan sebelumnya dalam aplikasi optik ultra-cepat, yang menyebutkan potensi signifikan FeS2 dengan sifat koefisien penyerapan cahaya yang tinggi yang membuatnya sangat cocok untuk modulator optik berkecepatan tinggi. Zhang dkk. telah berhasil menunjukkan pembangkitan pulsa menggunakan mikrokristal FeS2, yang diendapkan pada serat tirus. Oleh karena itu, penyelidikan lebih lanjut untuk sepenuhnya memanfaatkan keunggulan FeS2 sangat diperlukan. Dalam paper ini, telah demonstrasi eksperimental operasi ragam-terkunci pada panjang gelombang pusat 1562,4 nm berdasarkan FeS2-SA dalam laser serat yang didoping erbium (EDFL). Penguncian ragam dekat 1562,4 nm telah tercapai. Pada daya pompa 166,4 mW, laju pengulangan yang dihasilkan, lebar pulsa, daya luaran, dan energi pulsa dari rangkaian pulsa luaran penguncian ragam berturut-turut adalah 1,8 MHz, 147 ns, 10,65 mW, dan 5,69 nJ, yang memang mendukung adanya penyerapan jenuh di SA. Lebih lanjut, kemampuan mode-locker FeS2 untuk pembangkitan pulsa ultrafast tidak dapat disangkal, dan kinerja mode-locking juga dapat dihandalkan.
Metode dan Hasil
Metode fabrikasi liquid-phase exfoliation (LPE) diterapkan dalam preparasi film tipis FeS2-SA, memungkinkan sintesis dengan biaya rendah, terjangkau, dan aman bagi lingkungan. Dalam metode ini, persiapan terlebih dahulu melibatkan proses pembuatan larutan PVA. 1 g bubuk polivinil alkohol (PVA) ditambahkan ke 120 ml air suling, yang diaduk secara magnetis selama 24 jam pada suhu 100 0C, menghasilkan pembentukan larutan tidak berwarna. Setelah didinginkan hingga suhu kamar, 15 mg serbuk FeS2 dicampurkan ke dalam 50 ml larutan PVA. Campuran diaduk pada kecepatan 300 rpm selama 12 jam. Untuk menghilangkan partikel yang tidak larut, campuran ditempatkan dalam rendaman ultrasonik selama 1 jam. Akhirnya, larutan FeS2-PVA dibiarkan kering pada suhu kamar dalam cawan petri.
Pengaturan laser serat yang didoping erbium (EDFL) adalah berhasil dibangun. EDFL terdiri dari beberapa komponen penting, pompa laser diode (LD) 980 nm secara langsung disambung dengan panjang gelombang divisi multiplekser (WDM) 980/1550 nm. Port WDM luaran terintegrasi dengan sebuah erbium-didoping serat (EDF) yang panjangnya 2,4 m. Isolator yang dipasang digunakan untuk memastikan laser berosilasi sesuai arah di dalam itu cincin laser rongga. Dengan itu tambahan sebuah serat mode tunggal standar (SMF) sepanjang 100 m, rongga total panjang EDFL mode-locked adalah sekitar 107 m. Dengan menggunakan coupler luaran 90/10, 10% dari cahaya berosilasi rongga adalah diekstraksi sebagai keluaran laser. Penganalisis spektrum optik (Anritsu MS9710C) digunakan untuk memantau dan menganalisis karakteristik spektrum laser yang dihasilkan. Kereta pulsa luaran diukur menggunakan sebuah osiloskop (GWINSTEK: GDS-3352) yang dilengkapi dengan fotodetektor kecepatan. Stabilitas pulsa ultrashort diukur menggunakan penganalisis spektrum frekuensi radio (RF) 7,8 GHz (Anritsu MS2683A). power meter (Thorlabs PM 100D) digunakan untuk mengukur daya luaran pulsa laser. Untuk menyeimbangkan nonlinier dan dispersi dalam pengaturan konfigurasi, SMF ditambahkan. Kecepatan grup nilai dispersi (GVD) untuk SMF, serat WDM, dan EDF adalah 21.7.
Dalam percobaan, serat mode tunggal standar (SMF) sepanjang 100 m digunakan di rongga, yang memungkinkan pembangkitan pulsa ragam-terkunci dengan mengubah dispersi dan efek nonlinier. Keseimbangan antara nonlinier intra-rongga dan dispersi dapat menghasilkan soliton optik yang diinginkan untuk komunikasi jarak jauh karena bentuknya dapat dipertahankan dan dapat mempertahankan transmisi optik berkecepatan sangat tinggi selama beberapa ribu kilometer. Selanjutnya, penambahan SMF akan meningkatkan sifat nonlinier, yang menghasilkan pelebaran spektral dan pulsa mode-locked yang stabil. Dalam paper ini, kinerja penguncian ragam dari penyerap jenuh (SA) berbasis FeS2 dengan kedalaman modulasi yang sesuai 6% telah diperoleh. Dengan menyesuaikan daya pompa di atas ambang batas 125,23 mW, operasi penguncian ragam yang stabil dan dapat dimulai sendiri akan tercapai. Operasi ini dipertahankan hingga daya pompa maksimum sebesar 166,4 mW. Hasil menunjukkan spektrum luaran pulsa mode-locked pada daya pompa 166,44 mW. Pusat pajanga gelombang di sekitar 1562,4 nm dengan bandwidth spektral 3-dB 0,86 nm. Dibandingkan dengan spektrum panjang gelombang continuous wave (CW) (tanpa SA), yang beroperasi pada 1567,8 nm, panjang gelombang operasi mode-locked lebih pendek karena hilangnya penyisipan SA, dan bandwidth 3-dB mode-locked adalah 0,06 nm lebih luas karena efek modulasi fase-diri yang disebabkan oleh SMF tambahan. Sideband Kelly juga diamati dalam spektrum luaran, yang membuktikan bahwa pulsa beroperasi dalam daerah soliton. Hasil juga menggambarkan jejak osiloskop kereta pulsa mode-locked. Dengan meningkatnya daya pompa dari 125,23 mW menjadi 166,4 mW, tingkat pengulangan pulsa penguncian ragam dipertahankan pada 1,8 MHz, yang sesuai dengan durasi pulsa 147 ns. Operasi penguncian ragam diamati sangat stabil bahkan tahan terhadap fluktuasi daya pompa dan gangguan lingkungan. Puncak-ke-puncak pulsa ragam-terkunci diperoleh pada 534,76 ns. Karena keterbatasan resolusi dalam osiloskop, durasi pulsa yang direkam bukanlah nilai sebenarnya, terutama dalam pulsa picosecond. Hasilnya, laser mode-locked yang dihasilkan direalisasikan menjadi pulsa berbentuk sech2 dengan durasi pulsa 3,01 ps menggunakan auto-korelator optic. Secara teori, nilai batas transformasi produk bandwidth waktu (TBP) untuk profil sech2 dari pulsa mode-locked adalah 0,315.
Sebagai penutup, kemajuan signifikan telah dibuat dalam pembuatan EDFL yang dikunci ragam menggunakan pendekatan pasif. SA yang diusulkan menggunakan FeS2 yang menerapkan metode pengelupasan fase cair dalam fabrikasi telah berhasil menghasilkan pulsa yang stabil melalui penguncian ragam pasif pada panjang gelombang pusat 1562,4 nm. Pada daya pompa 166,4 mW, daya luaran maksimum dan energi pulsa dicatat masing-masing pada 10,65 mW dan 5,69 nJ. Laju pengulangan ditentukan menjadi 1,8 MHz, dan lebar pulsa laser terkunci mode yang diperoleh dari jejak korelator otomatis adalah 3,01 ps. Rasio sinyal-terhadap-kebisingan adalah 65,2 dB yang menunjukkan bahwa kereta pulsa sangat stabil. Absorbansi tak jenuh, kedalaman modulasi, dan intensitas saturasi FeS2-SA berturut-turut adalah 4%, 6%, dan 44,35 MW/cm2. Kinerja itu merupakan hasil dari FeS2 sebagai SA yang dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan penelitian masa depan dalam berbagai aplikasi fotonik.
Penulis: Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350449521003716
Iron pyrite absorber for ultrashort pulse generation., N. Ahmed , S. Omar, N.F. Zulkipli, Z. Jusoh, H.A. Rahman, B. Musa, M. Yasin, S. W. Harun.
