Dalam beberapa tahun terakhir, teknologi serat optik berkembang pesat karena dapat dimanfaatkan dalam berbagai aplikasi, seperti sensor dan laser. Khususnya, pengembangan penguat serat dan laser yang beroperasi pada 1.3 μm telah mendapatkan minat yang signifikan karena ketersediaan serat doping tanah jarang yang sesuai yang dapat memperkuat sinyal pada wilayah panjang gelombang ini. Wilayah 1.3 µm, yang dikenal sebagai O-band, memungkinkan perambatan sinyal pada dispersi nol dalam serat optik berbasis silika. Akhir-akhir ini, bismuth-doped fibers (BiDFs) telah banyak dieksplorasi sebagai media penguatan untuk mendapatkan emisi 1.3 μm. Namun, BiDF memiliki beberapa kelemahan. Pertama, panjang gelombang emisi BiDF bertepatan dengan ujung pita serapan pompa (sekitar 1200“1270 nm), yang dapat menyebabkan kerugian yang tidak diinginkan seperti kerugian yang tidak dapat dijenuhkan. Selain itu, perpanjangan panjang BiDF biasanya diperlukan karena sulitnya meningkatkan konsentrasi ion Bi3+ dalam serat silika. Pilihan lain untuk amplifikasi di wilayah O-band adalah dengan menggunakan ion praseodymium (Pr3+) yang didoping dalam host fluoride sebagai pengganti silika, memancarkan output optik di wilayah panjang gelombang 1280“1360 nm.
Pekerjaan ini menggunakan nickel phosphorus trisulfide (NiPS3) sebagai SA untuk mencapai pulsa mode-locked di jendela O-band. NiPS3 adalah bahan 2D milik keluarga metal phosphorus trichalcogenides transisi (MPX3), dengan rentang energi celah pita yang luas dari 1.3 eV hingga 3.5 eV. Fleksibilitas untuk menyetel celah pita menunjukkan sifat pendaran material yang luas. NiPS3, dan itu menunjukkan respon optik nonlinear yang sama seperti bahan 2D lainnya seperti antimonene, graphene, ternary transition metal dichalcogenides (TTMDs), dan black phosphorus (BP). Selain itu, NiPS3 menunjukkan ambang kerusakan yang tinggi dengan stabilitas termal hingga 630 oC. Selain itu, pulsa mode-locked juga telah dilaporkan menggunakan NiPS3 sebagai SA di erbium (EDFL) dan ytterbium-doped fiber lasers (YDFL) yang beroperasi pada 1-µm dan 1.5-µm. Wang et al. melaporkan sintesis kristal NiPS3 berkualitas tinggi menggunakan metode transportasi uap kimia. Mereka menggunakan nanosheet NiPS3 beberapa lapis sebagai SA untuk menghasilkan pulsa mode-locked Q-switched dan dual wavelength pada 1.5 µm. Penguncian mode soliton disipatif yang stabil diperoleh pada 1066.2 nm oleh Liu et al. menggunakan NiPS3 sebagai SA di YDFL. Studi NiPS3-SA ini pada rezim 1.0 µm dan 1.5 µm untuk berbagai operasi penguncian mode mengungkapkan sifat optik nonlinier NiPS3 untuk kemungkinan aplikasi dalam fotonik, seperti modulator optik dan sakelar. Namun, ada laporan terbatas tentang penggunaan bahan 2D sebagai SA untuk menghasilkan pulsa mode-locked pada jendela O-band yang jarang dieksplorasi. Pekerjaan ini menunjukkan laser serat mode-locked yang beroperasi pada panjang gelombang pusat 1302.3 nm dengan durasi pulsa pendek 370 fs dalam praseodymium-doped fluoride fiber laser cavity (PDFFL).
Larutan NiPS3 dibuat dari 50 mg serbuk NiPS3 (dibeli dari Ossila dengan kode produk M2211C1), yang dilarutkan dalam 5 mL N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) sambil diaduk di atas hotplate. Suspensi mengalami ultrasonikasi selama 5 jam untuk mengelupas NiPS3 massal menjadi beberapa lapisan NiPS3. Selanjutnya, larutan NiPS3 yang terkelupas dikumpulkan dengan sentrifugasi pada 5000 rpm selama 15 menit menggunakan sentrifugasi berpendingin Velocity 18R. Proses ini memisahkan serpihan NiPS3 yang terkelupas dengan sisa bubuk yang tidak terkelupas yang terletak di bagian bawah tabung sentrifus. Akhirnya, supernatan yang mengandung serpihan NiPS3 yang terkelupas dikumpulkan dan digunakan sebagai bahan SA yang dilapisi ke serat berbentuk busur.
Hasilnya menunjukkan pengaturan eksperimental operasi mode-locked PDFFL pada panjang gelombang 1.3 µm. Laser Diode (LD) 1020 nm dihubungkan ke port 1020 nm dari wavelength division multiplexer (WDM), yang kemudian dipasang ke media penguatan. Media gain adalah praseodymium-doped fluoride fiber (PDFF) 10.1 m, memiliki penyerapan 3 dB/m pada 1020 nm, konsentrasi doping 1000 ppm, dan numerical aperture (NA) 0.27. Keluaran dari media gain PDFF kemudian dihubungkan ke isolator, diikuti dengan coupler 80:20. Selanjutnya, port coupler 80% kemudian diumpankan ke rongga laser, dan 20% diambil sebagai keluaran laser. Umpan balik dari coupler kemudian dihubungkan ke polarization controller (PC) dan SMF sepanjang 500 m. Kemudian, SA serat berbentuk busur berlapis NiPS3 yang telah disiapkan kemudian dimasukkan ke dalam rongga laser dan dihubungkan kembali ke port WDM 1310 nm. SMF ditambahkan untuk meningkatkan efek nonlinier dalam rongga laser dan memulai pemodelan. Karena respons optik nonlinier SA bervariasi pada polarisasi yang berbeda, PC secara hati-hati disesuaikan agar sesuai dengan pembiasan ganda rongga dan nonlinier SA. PC tiga dayung (Thorlabs: FPC031) dengan diameter spul masing-masing 27 mm digunakan di dalam rongga cincin. Setiap loop dayung menyediakan rotasi ±117.5â—¦. PC dipasang pada meja optik dan dihubungkan ke rongga cincin. Ketiga pelat gelombang kemudian diputar secara independen dalam sudut 0“ ± 117.5â—¦ hingga pulsa muncul di osiloskop. Rotasi PC dioptimalkan untuk menstabilkan pulsa mode-locked. Spektrum keluaran dari laser mode-locked diukur menggunakan optical spectrum analyzer (OSA) (Yokogawa: AQ6370B), yang memiliki rentang panjang gelombang 600“1700 nm. Pengukur daya optik (Thorlabs: S144C) digunakan untuk pengukuran daya optik, dan autokorelator (APE Pulselink 150) digunakan untuk mengukur lebar pulsa. Untuk menganalisis pulsa dalam spektrum listrik, penganalisis spektrum frekuensi (Anritsu: MS2683A) dan osiloskop (Yokogawa: DLM2054) dihubungkan pada output melalui fotodetektor cepat (Newport: 818-BB-35F, 12.5 GHz).
Spektrum optik tanpa SA beroperasi sebagai laser CW dengan panjang gelombang tengah 1299 nm dalam profil penguatan PDFF di wilayah O-band. Setelah menggabungkan SA, pulsa mode-locked diperoleh pada 1302.3 nm dengan bandwidth lebar 3-dB 6.8 nm. Spektrum optik PDFFL, di mana laser mode-locked stabil dalam daya pompa 103“193 mW. Karena PDFF dan serat mode tunggal memperkenalkan dispersi positif dan negatif pada 1302 nm, dispersi rongga bersih hampir seimbang, menghasilkan dispersi bersih yang sedikit positif. Dengan demikian, laser beroperasi dalam rezim peregangan pulsa tanpa pita samping Kelly dengan profil Gaussian. Sedangkan operasi soliton konvensional memiliki sideband Kelly yang kuat dalam domain spektral, membatasi kemampuannya untuk menghasilkan pulsa yang lebih pendek. Laser yang dikunci dengan mode peregangan pulsa dapat mencapai pulsa dengan durasi yang jauh lebih singkat.
Hasilnya menunjukkan jejak autokorelasi dari pulsa mode-locked. Full width-half maximum (FWHM) jejak autokorelasi diukur menjadi 523 fs. Dengan mengambil faktor dekonvolusi 0.707 untuk pulsa berbentuk Gaussian, lebar pulsa sebenarnya adalah 370 fs. Time-bandwidth product (TBP) kemudian dihitung menjadi 0.445 menggunakan durasi pulsa 370 fs dan bandwidth 3-dB 6.8 nm. TBP yang diperoleh hampir terbatas transformasi (0.44 untuk pulsa berbentuk Gaussian), menunjukkan bahwa kicau pulsa dapat diabaikan.
Hasilnya menunjukkan rangkaian pulsa yang diperoleh melalui osiloskop, dan juga menunjukkan spektrum frekuensi radio dari pulsa yang dicapai. Interval pulsa-ke-pulsa adalah sekitar 2.5 µs, sesuai dengan tingkat pengulangan 0.403 MHz. Tingkat pengulangan pulsa mode-locked juga dianalisis menggunakan penganalisa spektrum RF, memberikan frekuensi tengah 0.403 MHz dengan SNR 55 dB. Rata-rata daya keluaran dan energi pulsa terhadap daya pompa, dimana daya keluaran meningkat secara linier dari 1 menjadi 6.9 mW dengan kenaikan daya pompa dari 103 menjadi 192 mW. Efisiensi kemiringan daya keluaran laser adalah 6.6%. Demikian pula, energi pulsa juga meningkat dari 2.5 nJ menjadi 17.1 nJ. Selain itu, untuk operasi pulsa terentang, energi pulsa tunggal biasanya lebih tinggi dibandingkan dengan pembangkitan soliton konvensional (>0.1 nJ). Seperti yang diplot, daya puncak pulsa mode-locked juga meningkat secara linier terhadap peningkatan daya pompa. Daya puncak maksimum yang dicapai untuk pulsa mode-locked setinggi 46.2 kW pada daya pompa maksimum. Stabilitas jangka panjang dari PDFFL dengan mode-locked. Pengukuran dilakukan pada interval 30 menit di bawah kondisi laboratorium standar. Laser dengan mode-locked yang stabil diamati selama 3 jam. Tidak ada variasi dalam bentuk pulsa atau pelemahan amplitudo yang diamati selama periode ini. Hasilnya menunjukkan bahwa mode-locked laser stabil pada panjang gelombang pusat 1302.3 nm tanpa adanya pergeseran spektrum optik. Daya keluaran pada panjang gelombang pusat juga menunjukkan perubahan yang dapat diabaikan sekitar ±0.08 dB fluktuasi daya selama operasi laser.
Penulis : Prof. Dr. Moh. Yasin, M.Si.
Informasi detail dari riset ini dapat dilihat pada tulisan kami di:
