[論文レビュー] Ultrafast pulse generation with black phosphorus

Diao Li, Henri Jussila+5 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 55被引用数 200

ひとこと要約

本論文では、強力で調整可能な非線形光学的応答を示す黒リン（BP）を飽和吸収体として用いて、ファイバーレーザーにおける超短パルス発生を実証している。著者らは1.5 µm帯で、~786 fsの短いモードロックパルスおよび18 nJを超えるエネルギーを持つQスイッチングパルスを達成し、BPが次世代の超高速フォトニクスデバイスにおける可能性を示している。

ABSTRACT

Black phosphorus has been recently rediscovered as a new and interesting two-dimensional material due to its unique electronic and optical properties. Here, we study the linear and nonlinear optical properties of black phosphorus thin films, indicating that both linear and nonlinear optical properties are anisotropic and can be tuned by the film thickness. Then we employ the nonlinear optical property of black phosphorus for ultrafast (pulse duration down to ~786 fs in mode-locking) and large-energy (pulse energy up to >18 nJ in Q-switching) pulse generation in fiber lasers at the near-infrared telecommunication band ~1.5 μm. Our results underscore relatively large optical nonlinearity in black phosphorus and its prospective for ultrafast pulse generation, paving the way to black phosphorus based nonlinear and ultrafast photonics applications (e.g., ultrafast all-optical switches/modulators, frequency converters etc.).

研究の動機と目的

• 光子デバイス応用を目的とした黒リン薄膜の線形および非線形光学的性質の調査。
• 薄膜の厚さおよび異方性を用いたこれらの性質の調整可能性の探求。
• 近赤外通信帯（1.5 µm）における実用的な超高速パルス発生の実証。
• エレミウムドープファイバーレーザーにおけるモードロックおよびQスイッチングのための飽和吸収体としての黒リンの評価。
• 超高速全光スイッチ、モジュレータ、周波数変換器としてのBPベースデバイスの実現可能性の確立。

提案手法

• 光学的特性評価を目的とした、厚さを制御した少数層黒リン薄膜の作製。
• ポンプ・プローブ分光法およびZスキャン法を用いた線形および非線形光学的性質の測定。
• エレミウムドープファイバーレーザー共振器に黒リンを飽和吸収体として統合。
• 超短パルス発生のためのモードロックおよびQスイッチング構成の実装。
• 自己自己相関および光スペクトル解析を用いたパルス幅およびエネルギーの特徴付け。
• 非線形応答の調整およびパルス発生の最適化を目的とした薄膜厚さの体系的変更。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 黒リン薄膜の線形および非線形光学的性質は、厚さおよび結晶方位にどのように依存するか？
• RQ2 1.5 µm通信帯において、黒リンは安定したモードロックおよびQスイッチングを実現できるか？
• RQ3 黒リンを飽和吸収体として用いた場合、得られる最小パルス幅および最大パルスエネルギーは何か？
• RQ4 黒リンの異方性は、超高速応用におけるその非線形光学的応答にどのように影響するか？
• RQ5 光子デバイス最適化のため、黒リンの非線形光学的応答をどの程度まで調整可能か？

主な発見

• 黒リンは、結晶方位および薄膜厚さに依存する異方的応答を示す強力で調整可能な非線形光学的吸収を示す。
• 黒リンを用いたモードロックファイバーレーザーでは、1.5 µmで~786 fsの短いパルスが得られた。
• Qスイッチング動作により、18 nJを超えるエネルギーを持つパルスが生成され、高エネルギー能力が実証された。
• 黒リンの非線形図面的指標は、超高速フォトニクスへの応用を支持しており、全光スイッチングおよび周波数変換への応用が可能である。
• 黒リン飽和吸収体の性能は厚さに依存しており、特定の応用に合わせた非線形応答の設計が可能である。
• 本結果により、黒リンが近赤外帯における次世代超高速フォトニクスデバイスの有力候補であることが確認された。