Passively Q恠witched fiber lasers (PQFLs) telah menjadi minat penelitian yang luar biasa karena efisiensinya yang tinggi, kekompakan, fleksibilitas, dan biaya fabrikasi dan pengoperasian yang rendah, sementara memberikan output yang memenuhi kebutuhan sebagian besar aplikasi dunia nyata. Fitur utama dari PQFL adalah tunabilitas panjang gelombangnya yang luas yang sangat diperlukan dalam aplikasi spesifik seperti penelitian biomedis, spektroskopi, pemrosesan material, sensor, teknologi wave division multiplexing (WDM). Elemen kunci untuk memproduksi PQFL yang dapat disetel (tunable) secara luas adalah menggunakan broadband saturable absorber (SA). Salah satu SA yang paling banyak digunakan adalah semiconductor saturable absorber mirrors (SESAM), namun SESAM mempunyai proses fabrikasi yang kompleks dan bandwidth operasi yang sempit. Beberapa jenis SA telah digunakan, termasuk carbon nanotubes (CNT), graphene dan transition metal dichalcogenides (TMD), Topological insulators (TI); Black Phosphorus (BP) dan Gold nanorods. Meskipun bahan-bahan ini telah menarik banyak perhatian karena strukturnya yang sederhana dan biayanya yang rendah, mereka memiliki kelemahan umum dari ambang kerusakan optik yang rendah, proses fabrikasi yang kompleks, kemurnian dan ketidakseragaman yang tidak memadai.
Di sisi lain, ada kekhawatiran yang meningkat mengenai efek nanomaterial pada kesehatan manusia terutama setelah paparan jangka panjang. Para peneliti masih memiliki motivasi yang kuat untuk menemukan SA berkinerja tinggi untuk digunakan dalam laser serat pulsa pasif. Dalam hal ini, bahan organik memiliki sifat optik yang sangat menarik. Mereka memiliki keunggulan tunabilitas spektral yang luas dan respons nonlinier yang sangat cepat. Selain itu, bahan ini ringan, fleksibel secara mekanis, dan dapat diproduksi dengan biaya rendah. Bahan ini biokompatibel, ramah lingkungan dan mereka dapat menjadi kandidat yang sangat baik dalam aplikasi biomedis. Bahan organik telah digunakan dalam beberapa aplikasi, karena sifat bahan itu dapat disesuaikan untuk keperluan dalam bidang optoelektronik, seperti transistor film tipis organik, organic light恊mitting diodes (OLEDs), organic solar cells (OSC), dan perangkat memori bistable organik. Tris-(8-Hydroxyquinoline) aluminium (Alq3) dianggap sebagai semikonduktor organik yang paling banyak dipelajari. Selain itu, Alq3 memiliki sifat optik yang sangat menarik, seperti non恴ero optical bandgap, proses fabrikasi yang sederhana dan berbiaya rendah serta ambang kerusakan yang relatif tinggi. Selain itu, Alq3 memiliki masa operasional yang panjang dan stabilitas termal yang unggul, juga dapat dengan mudah dibuat dan dimurnikan karena memiliki formasi film tipis yang sangat stabil. Dalam paper ini, Alq3 terbukti memiliki keunggulan dibandingkan CNT, graphene, TMD, WS2, atau TiO2, karena Alq3 memiliki pita panjang gelombang yang lebar, ambang kerusakan yang tinggi, ketahanan yang tinggi terhadap photobleaching, dan kedalaman modulasi yang baik serta non恴ero optical bandgap. Alq3 digunakan sebagai bahan SA dalam rongga semua serat yang ringkas untuk menghasilkan PQFL dengan panjang gelombang yang dapat disetel. Panjang gelombang dapat disetel kontinu dari 1520 hingga 1563.3 nm yang mencakup hampir semua wilayah pita-C dengan SNR yang sangat tinggi. Operasi self-Q-switch dicapai tanpa pengontrol polarisator. Selain itu, serat optik dapat digulung tanpa mempengaruhi operasi Q-switching. Kami percaya bahwa Alq3 memiliki potensi tinggi untuk menghasilkan laser serat Q-switched yang lebar dan berkinerja tinggi.
Konfigurasi laser serat berupa rongga laser serat terdiri dari Erbium-doped Fiber (EDF) 2 m, wavelength division multiplexer (WDM) 0,5 m dan standard single mode fiber (SMF) 110 m. EDF memiliki diameter teras (core) 4 m, numerical aperture (NA) 0.16, penyerapan ion erbium 23 dBm鈭1 pada 980 nm. Panjang rongga adalah 112.5 m dengan dispersi ronga bersih sebesar 2.356 ps2 . Dispersi kecepatan kelompok EDF, WDM dan SMF berturut-turut adalah 27.6, 48.5 dan 21.7 ps2/km. Film tipis Alq3 dengan konektor memiliki insertion loss sekitar 1 dB. Sumber cahaya pompa pada 980 nm disuntikkan dari laser diode (LD) ke dalam rongga melalui WDM. Isolator (ISO) digunakan untuk mencegah pantulan cahaya dan coupler optik 80:20 digunakan untuk menyambungkan 20% daya intra-rongga. Spektrum optik luaran, spektrum radio frequency (RF), jejak osiloskop dan lebar pulsa diamati dengan optical spectrum analyzer (OSA) dengan resolusi spektral 0.07 nm, RF spectrum analyzer (RFSA), real-time ocilloscope (OSC), 350 MHz bandwidth dengan 1.2 GHz fotodetektor dan autokorelator.
Laser serat menghasilkan operasi continuous wave (CW) pada daya LD input 10 mW, sedangkan operasi mode-locked diperoleh dan dipertahankan saat daya LD meningkat dari 25 mW menjadi 274 mW. Ketika daya LD dinaikkan hingga maksimum 350 mW, kereta pulsa mode-locked menghilang (yaitu operasi CW diamati lagi di mana tidak ada denyut yang diamati di OSC dan bentuk soliton berubah menjadi puncak tunggal yang berpusat di 156.5 nm). Saat daya LD dikurangi dibawah 274 mW, pulsa penguncian ragam menghasilkan penguatan, oleh karena itu kami mengonfirmasikan bahwa ambang kerusakan terjadi di atas 350 mW. Kami percaya bahwa jika SA rusak oleh daya LD, maka tidak ada operasi penguncian ragam yang dapat dihasilkan ketika daya LD berada dalam kisaran antara 25 mW dan 274 mW, yang tidak terjadi dalam pengamatan kami.
Alasan peralihan dalam rezim laser dikaitkan dengan SA yang sepenuhnya jenuh. Di sisi lain, kami telah mengeluarkan film Alq3:PVA dari rongga untuk memverifikasi bahwa operasi denyut disebabkan oleh Alq3. Dalam hal ini, tidak ada denyut yang diamati meskipun menyetel daya LD pada rentang yang luas dan serat optik yang terpuntir dan tertekuk. Dengan memasukkan Alq3:PVA kembali ke dalam rongga laser serat, denyut penguncian ragam diamati lagi. Kami menyimpulkan bahwa Alq3 sepenuhnya bertanggung jawab atas operasi penguncian ragam daripada komponen lainnya. Spektrum optik luaran dari operasi pulsa menunjukkan bahwa laser serat menghasilkan rezim penguncian ragam soliton.
Hasil menunjukkan bentuk soliton yang khas dengan sideband Kelly simetris yang berpusat pada 1561.5 nm. Pemisahan antara panjang gelombang pusat dan pita sisi Kelly orde 1, 2 dan 3 berturut-turut adalah 卤 2.55 nm, 卤 3.95 nm dan 卤 4.94 nm. Lebar pulsa dengan sech2 diukur menjadi 1.6 ps dengan perkiraan Time-Bandwidth Product (TBP) 0,350. TBP lebih tinggi dari prediksi transform-limited sebesar 0.313, yang menunjukkan bahwa pulsa-pulsa tersebut berkicau. Durasi lebar pulsa minimum yang mungkin (dihitung secara matematis) adalah ~1.43 ps. Hasil penelitian menunjukkan spektrum RF terukur pada rentang 80 MHz dengan signal to background noise ratio (SNR) sebesar 41.5 dB. Hasilnya juga menunjukkan harmonik rongga yang tinggi serta kemurnian spektral yang tinggi tanpa modulasi spektrum yang signifikan, yang membuktikan stabilitas operasi penguncian ragam. Energi pulsa luaran dan daya luaran melawan daya LD masukan. Saat daya LD disetel dari 25 mW menjadi 274 mW, energi pulsa dapat dinaikkan secara linier dari 0.19 nJ menjadi 0.84 nJ dan daya luaran meningkat dari 0.34 mW menjadi 1.52 mW.
Hasilnya menunjukkan jejak osiloskop khas dari laser Q-switched yang diusulkan. Kereta pulsa memiliki distribusi yang sangat seragam, yang menunjukkan bahwa operasi laser sangat stabil. Periode pulsa diukur menjadi 545 ns, yang bertepatan dengan tingkat pengulangan pulsa dan panjang rongga. Kereta pulsa menunjukkan aspek seperti gigi gergaji, yang dikaitkan dengan kebisingan yang dihasilkan oleh foto-detektor yang terpasang pada OSC. Asumsi ini sesuai dengan SNR tinggi dan lebar pulsa pendek yang dihasilkan oleh laser serat. Untuk memeriksa operasi jangka panjang Alq3:PVA SA, spektrum optik diambil sampelnya setiap ~42 menit selama 420 menit. Gambar tersebut menggambarkan operasi yang sangat stabil di mana semua sampel memiliki panjang gelombang pusat yang sama dan amplitudo masing-masing 1561.5 nm 42.9 dBm. Selain itu, sampel menunjukkan bahwa sideband Kelly mempertahankan intensitas optik dan panjang gelombang yang sama selama proses pengambilan sampel, di mana urutan pertama memiliki intensitas 37.6 dBm dan 40.83 dBm (pada 1558.95 nm dan 1564.05 nm), urutan kedua memiliki intensitas dari 52.0 dBm dan 53.83 dBm (pada 1557.55 nm dan 1565.45 nm) dan orde ke-3 memiliki intensitas masing-masing sebesar 61.6 dBm dan 62.26 dBm (pada 1556.56 nm dan 1566.44 nm). Ini semakin membuktikan stabilitas operasi penguncian mode dan menunjukkan bahwa Alq3:PVA dapat memberikan kinerja yang sama dan juga dapat menahan penerangan jangka panjang. Dengan rongga saat ini, kami tidak mengamati rezim pulsa lainnya seperti penguncian mode parsial dan kekacauan. Harus disebutkan bahwa operasi mode-locked dengan durasi lebar pulsa yang lebih lebar dan tingkat pengulangan yang lebih rendah dicapai dengan panjang rongga yang lebih panjang. Kami percaya bahwa dengan semakin mengurangi panjang rongga, operasi laser serat yang ditingkatkan dapat diperoleh.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
Sameer Salam, Bilal Nizamani, Moh Yasin, Sulaiman Wadi Harun.
