Absorción saturable de Grafeno para Láser mode-locked

Abstract

Problem:

Since the first successful exfoliation of monolayer graphene in 2004 [1] (for which the Nobel prize was awarded in 2008), research interest in this 2D material has surged exponentially. Graphene, consisting of a twodimensional layer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice, behaves distinctly different from regular 3D materials. Not only does graphene have unseen mechanical properties, (one layer of graphene can carry the weight of a cat!) the material also has extraordinary electrical and optical properties, mainly originating from its linear and gapless band structure [2] [3]. A graphene monolayer absorbs 2.3% of the light passing through, in absolute numbers this is small, graphene could thus be an excellent transparent contact. However considering the monolayer thickness, 2.3% is very large and indicates the strong lightmatter interaction, which can be exploited for light detection [4] or modulation [5].

Due to this strong interaction, it has been observed that once optical intensity reaches a certain threshold saturable absorption takes place: band filling at these high optical intensities causes the absorption of graphene to decrease. This phenomenon can be exploited for the modelocking of lasers, a technique used to produce extremely short (ps to even fs, 10^12 of a second!) and coherent light pulses. Graphene has already been successfully used for modelocking fiber lasers, however it can also be used to make chip scale femtosecond lasers by depositing on integrated silicon waveguides.

Researchers at UGent have, in close cooperation with imec, been working on the integration of graphene with photonic structures on a SilicononInsulator (SOI) waveguide. On these hybrid grapheneSOI structures, we recently experimentally demonstrated electrically tunable saturable absorption [6]. This principle can potentially be used for realizing integrated spontaneously modelocked lasers with an electrically tunable pulse duration, making the dream of a ultrashort chip scale femtosecond laser almost a reality.

Objective:

The proposed work extrapolates on the saturable absorption work presented above. The aim will be to further characterize the saturable absorption in hybrid grapheme-SOI or grapheme-SiN waveguides, and to explore the feasibility of mode-locking a fiber laser using graphene, possibly with tunable properties.

As the dynamics of a mode-locked laser are highly dependent of the characteristics of the cavity (dispersion, nonlinear effects ¿), as well as the saturable absorber a large part of the project will consist of simulation, design and development.

Depending on the progress of the project, the student will have the freedom to elaborate on the work according to his/her own interests. Possible options contain: developing a better understanding of the carrier dynamics in graphene, thoroughly modelling the behavior of a mode-locked laser, fabrication and design of new hybrid SOI-graphene structures, mode-locking of semiconductor lasers using graphene etc.

Problema:

Desde la primera exfoliación exitosa del grafeno monocapa en 2004 [1] (para la cual el Premio Nobel fue otorgado en 2008), el interés de la investigación en este material 2D ha aumentado exponencialmente. El grafeno, que consiste en una capa de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal, que se comporta claramente diferente de los materiales 3D regulares. El grafeno no sólo tiene propiedades mecánicas insólitas (una capa de grafeno puede soportar el peso de un gato), sino que también tiene extraordinarias propiedades eléctricas y ópticas, originadas principalmente por una estructura con banda lineal y sin ¿gap¿ [2] [3]. Una monocapa de grafeno absorbe el 2,3% de la luz que pasa, en cifras absolutas esto es pequeño, el grafeno podría ser un excelente material transparente. Sin embargo, teniendo en cuenta el grosor de la monocapa, el 2,3% es muy grande, lo que indica una fuerte interacción luz-materia que puede ser explotada para la detección de luz [4] o la modulación [5].

Debido a esta fuerte interacción, se ha observado que una vez que la intensidad óptica alcanza un cierto umbral, tiene lugar la absorción saturable. El llenado de banda a estas altas intensidades ópticas hace que disminuya la absorción de grafeno. Este fenómeno puede ser explotado para láseres con bloqueo de modo, una técnica utilizada para producir pulsos extremadamente cortos (ps a incluso fs) y de luz coherentes. El grafeno ya ha sido utilizado con éxito para el bloqueo de modos de láseres en fibra, sin embargo también puede ser usado para hacer láseres de femtosegundos de escala de chip depositando sobre guías de onda integradas en silicio.

Los investigadores de UGent han trabajado en estrecha cooperación con IMEC en la integración del grafeno con estructuras fotónicas de guías en Silicio sobre aislante (SOI). Sobre estas estructuras híbridas de grafeno-SOI, recientemente hemos demostrado experimentalmente una absorción saturable que se puede regular eléctricamente [6]. Este principio puede utilizarse potencialmente para la realización de láseres integrados con bloqueo de modos espontáneo, que genera un pulso de duración sintonizable eléctricamente.

Objetivo:

El trabajo propuesto emplea el efecto de absorción saturable del grafeno propuesto, con el objetivo de caracterizar la absorción saturable en guías de onda híbridas grafeno-SOI o grafeno-SiN y para explorar la viabilidad de un láser de fibra con bloqueo de modos usando grafeno, posiblemente con propiedades sintonizables.

Como la dinámica de láser con bloque de modos es altamente dependiente de las características de la cavidad (dispersión, los efectos no lineales, ... ), así como de la saturación del absorbedor, una gran parte del proyecto consistirá en su simulación, diseño y desarrollo.

En función de la evolución del proyecto, el estudiante tendrá la libertad para elaborar más detalles sobre el trabajo en función de sus propios intereses. Las posibles opciones incluyen el desarrollo de una mejor comprensión de la dinámica de cargas en el grafeno, modelado a fondo el comportamiento de un láser con bloqueo de modos, la fabricación y diseño de nuevas estructuras híbridas SOI-grafeno, bloqueo de modos en láser de semiconductor empleando grafeno, etc.