[論文レビュー] Broadband black phosphorus optical modulator in visible to mid-infrared spectral range

Rui Zhang, Yuxia Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|May 22, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、数層の黒リン（BP）を用いた広帯域光変調器を提示し、可視光から中赤外域（639 nm、1.06 μm、2.1 μm）にわたり、ボリュームレーザーにおける受動的モードロックを実現することを示している。BPの飽和吸収体は、強い変調深度と低い飽和強度を示し、BPの層数およびひずみによる直接ギャップのチューナブル特性のおかげで、広帯域にわたる高効率で、チューナブルかつ広帯域の光スイッチングを実現している。

ABSTRACT

Black phosphorous (BP), a two-dimensional (2D) material, has a direct bandgap, which fills up the bandgap lacuna left by graphene topological insulators and transition-metal dichalcogenides because of its dependence on the layers and applied strains. Theoretically, the direct and tunable band gap indicates the broadband applications in optoelectronics with high efficiencies in the spectral range from visible to mid-infrared. Here, a BP broadband optical modulator is experimentally constructed and the passively modulated lasers at 639 nm (red), 1.06 um (near-infrared) and 2.1 um (mid-infrared) are realized by using the BP optical modulator as the saturable absorber in bulk lasers. The obtained results provide a promising alternative for rare broadband optical modulators and broaden the application range of BP in photonics.

研究の動機と目的

• 可視光から中赤外域にわたり動作可能な広帯域光変調器の開発を目的とする。
• 黒リン（BP）のチューナブルな直接ギャップを活用し、効率的で広帯域の光変調を実現することを目的とする。
• BPを飽和吸収体として用いた固体レーザーにおける受動的モードロックの実証を目的とする。
• 従来の光エレクトロニクス材料を超えて、BPの統合フォトニクス分野への応用範囲を拡大することを目的とする。
• 希少な広帯域飽和吸収体の実用的代替手段を提供することを目的とする。

提案手法

• 数層の黒リンを機械的剥離し、基板上に転写して飽和吸収体を形成した。
• BPベースの変調器を、639 nm（赤色）、1.06 μm（近赤外）、2.1 μm（中赤外）で動作するボリュームレーザー共振器に統合した。
• 高強度光が吸収を低下させる飽和吸収特性を活用して、受動的モードロックを達成した。
• 出力レーザーパルスのスペクトル的および時間的測定を通じて、光学的応答を評価した。
• 層厚さおよびひずみ制御によるBPのギャップチューナビリティを活用し、変調性能を最適化した。
• BPコーティングを施したミラーまたはキャビティ部品を用いた標準レーザーシステムを用いて、実験的検証を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 黒リンは、可視光から中赤外域にわたり、効果的な飽和吸収体として機能できるか？
• RQ2 黒リンの層数依存ギャップが、広帯域光変調をどのように可能にするか？
• RQ3 異なる波長において、BPベースの変調器の変調深度および飽和強度の性能はいかほどか？
• RQ4 BPベースの飽和吸収体は、複数の波長で安定した受動的モードロックを固体レーザーで実現できるか？
• RQ5 可視光から中赤外域にわたり、BPの性能は既存の広帯域飽和吸収体と比較してどう異なるか？

主な発見

• BPベースの変調器は、639 nm、1.06 μm、2.1 μmで受動的モードロックを成功裏に実現し、可視光および赤外光帯域にわたる広帯域動作を実証した。
• 1.06 μmにおいて約40%の変調深度を示し、強力な非線形光応答を示した。
• 低い飽和強度が観測され、中程度のポンプパワーでも高効率なスイッチングが可能であることが示された。
• 複数の波長で安定した動作を維持したため、BPが広帯域応用に適した多様性を持つことが確認された。
• 結果から、次世代フォトニクスデバイスにおけるチューナブルで広帯域の飽和吸収体としてのブラックホワイトフォトニクスの可能性が裏付けられた。
• 本研究は、ブラックホワイトフォトニクスの統合フォトニクスおよび光エレクトロニクス分野における応用範囲を拡大した。