[論文レビュー] Wideband tunable, graphene-mode locked, ultrafast laser

Z. Sun, D. Popa+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2010

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、機械的エキスパンション法で作製したグラフェン-ポリビニルアルコール（GPVA）自己吸収器を用いて、広帯域で周波数可変かつ超高速なファイバー・レーザーをモードロック化した。このレーザーは、1525–1559 nmの範囲で~1 psのパルスを発振し、環境の変動に対して安定したモードロックを実現しており、グラフェンの線形ディラック電子分散が広帯域の飽和吸収を可能にするとともに、周波数可変フィルタで波長制御を実現している。

ABSTRACT

We report a tunable ultrafast fiber laser mode-locked with a graphene saturable absorber. The linear dispersions of the Dirac electrons in graphene enable wideband tunability. We get ~1ps pulses, tunable between 1525 and 1559nm, demonstrating graphene as a broadband saturable absorber.

研究の動機と目的

• 生体イメージング、分光法、通信技術への応用を想定した、コンactで安定かつ広帯域で周波数可変な超高速ファイバー・レーザーの開発。
• 従来の半導体自己吸収ミラー（SESAM）の狭帯域の可変範囲と製造の複雑さを克服すること。
• グラフェンモードロック型レーザーにおけるファイバーのバイレフレンスに起因する環境不安定性を是正すること。
• グラフェンの線形ディラック分散が、広帯域にわたる広帯域の飽和吸収を実現できることを実証すること。
• シンプルでスケーラブルな自己吸収器設計により、低ノイズで安定したモードロックを実現し、振幅変動を最小限に抑えること。

提案手法

• 超音波処理と徐々に溶媒を蒸発させる手法により、機械的エキスパンション法で作製したグラフェン-ポリビニルアルコール（GPVA）複合材料を、自由に支持される50 µm厚の膜として調製した。
• GPVA自己吸収器は、光イソレータ、20/80分岐器、周波数可変帯域パスフィルタ、偏光制御器、WDM結合器を備えた線形、エルビウムドープファイバー・レーザー共振器に統合された。
• 976 nmの逆向きポンピングにより1.2 mのエルビウムドープファイバーを駆動し、光イソレータによって一方向動作を確保することで、レーザー動作を実現した。
• 12.8 nm帯域のマイクロメータ制御可能な周波数可変フィルタにより、1530–1555 nmの範囲で連続的な周波数可変を実現し、1525–1559 nmまで拡張可能である。
• パルス幅とスペクトルは、二次高調波生成（SHG）自己相関計測器と光スペクトルアナライザで測定した。RFスペクトル解析により、安定性を評価した。
• 出力パワー依存性の吸収測定により、5.35 mWの平均入力パワー（266 MW/cm²）で約4.5%のモード深度を示し、波長に依存しないことが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 温度感受性の高いバイレフレンスに依存せず、グラフェンベースの自己吸収器が、安定した広帯域周波数可変性を実現できるか？
• RQ2 グラフェン内のディラック電子の線形分散が、1500–1600 nm範囲にわたる広帯域の飽和吸収をどの程度サポートするか？
• RQ3 機械的エキスパンション法で作製したGPVA自己吸収器は、カーボンナノチューブ（CNT）またはSESAMベースのシステムと比較して、パルス幅、可変範囲、環境安定性の面でどの程度優れているか？
• RQ4 周波数可変フィルタと組み合わせたグラフェンモードロック型ファイバー・レーザーの実現可能な可変範囲とパルス幅は何か？
• RQ5 環境の変動があっても、システムが低振幅ノイズと高い安定性を長時間維持できるか？

主な発見

• 1553 nmで~1 psのパルス幅を達成し、時間帯域積が~0.4であった。これは、変換限界のsech²パルスの値0.315と比較してわずかなチルプを示している。
• 1525–1559 nmの範囲で周波数可変動作が実証された。これは、グラフェン自己吸収器のスペクトル応答ではなく、周波数可変フィルタの範囲によって制限されていた。
• 平均出力は~1 mW、パルスエネルギーは125 pJ、繰り返し周波数は~8 MHz（1回りの往復時間は~125.5 ns）であった。
• RFスペクトルではピーク対ベースラインの消光比が~80 dBであった。これは、モードロック状態における低振幅ノイズと高い安定性を示している。
• 自己吸収器は、5.35 mWの平均入力パワー（266 MW/cm²）で約4.5%のモード深度を示し、波長に依存しなかった。これは広帯域動作を確認するものであった。
• 環境への感受性が低く、偏光制御ではなく機械的フィルタによる周波数可変を実現したため、温度変化や機械的ドリフトの影響を受けなかった。