[논문 리뷰] Ultrafast pulse generation with black phosphorus

Diao Li, Henri Jussila외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 03.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 55인용 수 200

한 줄 요약

이 논문은 근적외선 통신 대역(1.5 µm)에서 섬유 레이저에서 블랙 흑연(Black Phosphorus, BP)을 포화 흡수체로 사용하여 초고속 펄스를 생성하는 것을 보여준다. BP는 강력하고 조절 가능한 비선형 광학 응답을 지니고 있어, ~786 fs의 매우 짧은 모드-락킹 펄스와 18 nJ 이상의 에너지를 가진 Q-스위칭 펄스를 달성하였다. 이는 BP가 차세대 초고속 포토닉스 장치에 매우 유망한 잠재력을 지닌다는 것을 시사한다.

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.).

연구 동기 및 목표

• 포토닉스 응용을 위한 박막 형태의 블랙 흑연의 선형 및 비선형 광학적 성질을 조사하기 위해.
• 막 두께와 이방성에 의한 이러한 성질의 조절 가능성 탐색을 위해.
• 근적외선 통신 대역(1.5 µm)에서 실용적인 초고속 펄스 생성을 시연하기 위해.
• 섬유 레이저에서 모드-락킹 및 Q-스위칭을 위한 포화 흡수체로서 블랙 흑연의 평가를 위해.
• 초고속 올옵티컬 스위치, 모듈레이터, 주파수 변환기 등 BP 기반 장치의 실현 가능성을 확립하기 위해.

제안 방법

• 광학적 특성 분석을 위해 두께를 제어한 다층 블랙 흑연 박막의 제작을 위해.
• 펌프-프로브 분광법과 Z-스캔 기법을 사용하여 선형 및 비선형 광학적 성질 측정을 위해.
• 어드레니움 도핑 섬유 레이저 캐비티에 블랙 흑연을 포화 흡수체로 통합하기 위해.
• 초단파 펄스를 생성하기 위해 모드-락킹 및 Q-스위칭 구성 구현을 위해.
• 자기상관 및 광스펙트럼 분석을 통해 펄스 지속시간과 에너지를 특성화하기 위해.
• 비선형 응답 조절 및 펄스 생성 최적화를 위해 막 두께를 체계적으로 변화시키기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블랙 흑연 박막의 선형 및 비선형 광학적 성질은 두께와 결정 방향에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 블랙 흑연은 1.5 µm 통신 대역에서 섬유 레이저에서 안정적인 모드-락킹 및 Q-스위칭을 지원할 수 있는가?
• RQ3 블랙 흑연을 포화 흡수체로 사용할 때 도달 가능한 최소 펄스 지속시간과 최대 펄스 에너지는 얼마인가?
• RQ4 블랙 흑연의 이방성은 초고속 응용에서 비선형 광학적 응답에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 블랙 흑연의 비선형 광학적 응답은 포토닉스 장치 최적화를 위해 어느 정도 조절 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 블랙 흑연는 결정 방향과 막 두께에 따라 의존하는 이방성 응답을 보이는 강력하고 조절 가능한 비선형 광학적 흡수를 나타낸다.
• 블랙 흑연를 사용한 모드-락킹 섬유 레이저에서 1.5 µm에서 ~786 fs의 매우 짧은 펄스가 달성되었다.
• Q-스위칭 동작은 18 nJ를 초과하는 에너지를 가진 펄스를 생성하여 고에너지 능력을 입증하였다.
• 블랙 흑연의 비선형 도구 수치는 초고속 포토닉스 응용에서의 사용을 뒷받침하며, 올옵티컬 스위칭 및 주파수 변환 가능성을 지닌다.
• 블랙 흑연 포화 흡수체의 성능은 두께에 따라 달라지며, 특정 응용에 맞는 비선형 응답 설계가 가능하다.
• 결과는 블랙 흑연가 근적외선 영역에서 차세대 초고속 포토닉스 장치에 매우 유망한 후보임을 확인한다.