基于Ge2Sb1.5Bi0.5Te5可饱和吸收体的锁模光纤激光器

叶蕾，王顺，姚中辉，蒋成，郭凯，张子旸

（1 上海大学 材料科学与工程学院，上海 200444）

（2 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏苏州 215123）

0 引言

由于光纤激光器具有较高的电-光和光-光转换效率、可变的波长范围、高质量的输出光束、结构紧凑、成本低等特点，同时受益于光纤器件的成熟，近年来得到了迅速发展，它成为了激光领域的研究热点［1-4］。光纤激光器优异的特性使其在材料加工、生物医学、工业生产、军事安全等领域有着广泛的应用，例如精密加工、激光雕刻、医疗器械精密切割等［5-6］。超快光纤激光器是在光纤激光器的基础上利用锁模器件来实现超短脉冲的输出。与连续光光纤激光器相比，其最显著的特点是极窄的脉冲宽度，可达皮秒甚至飞秒量级。超快光纤激光器的面世为超快光谱学、高带宽光通信、材料精密加工、超快动力学过程等研究翻开了全新的篇章［7-9］。超快光纤激光器主要通过主动锁模和被动锁模的方式来实现。主动锁模是在谐振腔内放置一个振幅或相位调制器，通过外部信号周期性的调节其损耗或者光程，从而实现锁模脉冲序列。被动锁模是在谐振腔内放置一个可饱和吸收体（Saturable Absorber，SA），基于SA 对激光的非线性可饱和效应来实现锁模脉冲序列的输出。相对于主动锁模，被动锁模由于可实现更窄的脉冲输出，结构紧凑以及易于操作等优势，得到了更多的关注［10-11］。而SA 的调制深度、饱和通量等参数是决定激光器输出性能的关键。因此研究人员在不断探寻性能优异的可饱和吸收体材料。

近年来，研究人员基于材料本身的特性已经发现了许多可应用于超快激光器的可饱和吸收体材料，如碳纳米管、石墨烯、黑磷等具有宽光谱响应的材料［12-17］。目前商用可饱和吸收体多为半导体可饱和吸收反射镜，但是其存在外延结构复杂、成本高以及有限的工作窗口等因素制约着其发展。碳纳米管、石墨烯等这些纳米材料损伤阈值较低且在实际应用中存在可靠性低等缺点。黑磷对周围环境十分敏感，空气中的水分、氧气等都会影响材料本身的性质。因此，研究人员也在通过不断探索出更多可利用的材料和优化现有材料的性能来进一步拓宽光纤激光器应用的道路［18］。Ge2Sb1.5Bi0.5Te5（GSBT）材料不仅具有宽的光谱响应，较高的热、化学和机械稳定性，而且可以通过调控温度实现非晶态和晶态的快速转变，因此能够结合激光直写技术在其表面制备微纳结构来进一步去调控表面光场，优化其光学特性［19-20］。GSBT 材料已经作为一种杰出的抗蚀剂被研究者们频繁地应用于激光直写纳米制备技术中，但是它在光子学领域的研究还处于起步阶段，研究者们尚未关注到GSBT 材料在超快光纤激光器中的应用。对GSBT 材料的光学特性及其应用的探索，不仅促进了对该材料的全面认识，也可以有效地推动基于GSBT 的光学器件的发展。

本文研究了退火前后GSBT 的光学特性，采用退火修饰，使其调制深度由2.7%提升到了3.8%，将其作为SA 构建了环形腔超快激光器，获得了脉冲宽度为1.52 ps、信噪比为47 dB 的锁模激光脉冲。为了进一步探究GSBT 在超快激光器中的应用，制备了不同厚度的GSBT-SA，随着厚度的增大，GSBT-SA 的光吸收率逐渐提升。

1 GSBT 样品的制备

首先，采用电子束蒸发技术在GaAs 衬底上沉积400 nm 的金作为反射镜。然后，将GSBT 靶材和GaAs/Au 衬底分别固定于磁控溅射的源位置和样品位置，磁控溅射的工作压力为0.1 Pa、功率为50 W、Ar流量为25 sccm（standard cubic centimeter per minute），首次溅射时间为690 s，通过台阶仪测量厚度为40 nm，溅射速率为0.058 nm/s。GSBT 作为一种常见的无机相转变材料，可以利用热效应改变材料晶相，因此采用真空管式退火炉对厚度为40 nm 的GSBT-SA 进行退火，退火条件和退火时间为150 ℃和20 min，退火前后的GSBT 薄膜的照片如图1（a）所示。为了探究厚度变化对材料性能的影响，利用磁控溅射分别溅射了1 000 s、1 380 s 得到了厚度约为60、80 nm 的GSBT 薄膜，如图1（b）所示，从左至右分别为厚度为40、60、80 nm的GSBT 薄膜的照片。采用X 射线衍射分析仪（X-Ray Diffraction analyzer，XRD）研究退火对GSBT 晶相的影响，并用分光光度计测定GSBT 其材料的吸收光谱。

图1 GSBT 薄膜实物图Fig.1 GSBT films pictures

2 锁模光纤激光器系统的搭建

搭建了光纤激光器系统来测试退火后40 nm GSBT 样品作为SA 的输出特性。图2 为光纤激光器系统图，中心波长为980 nm 的半导体激光器（Laser Diode，LD）作为泵浦源来保证谐振腔内有足够的泵浦能量，然后与980/1 550 nm 的波分复用器（Wavelength Division Multiplexer，WDM）相连。截取不同长度的掺铒光纤（Er-Doped Fiber，EDF）作为增益介质，通过对比增益介质后端的输出功率，确定最终的增益介质长度为1.3 m。偏振无关隔离器（Polarization-Independent Isolator，PI-ISO）能使信号光沿着固定的方向导通而在其他方向损耗，保证了信号光在腔内的单向运转。偏振控制器（Polarization Controller，PC）用来调节腔内偏振态使其具有相同的相位延迟，产生相位叠加从而影响锁模状态，通过调整偏振控制器的角度，获得最佳的锁模激光器的输出特性。光束经过环形器（Circulator，CIR）作用于可饱和吸收体上，GSBT 可饱和吸收体放置在一个铜基座上，环形器的一端尾纤的光纤跳线头通过螺丝旋钮于基座上方，入射光垂直照射在SA上，最终通过环形器的另一端重新耦合回环形腔。为了减少谐振腔内能量损耗，实验时通过精细调控旋钮螺丝，获得最佳的光束入射角度。随后腔内激光脉冲通过分束比为90∶10 的输出耦合器（Output Coupler，OC），其中10%端口输出的激光被用来实时观测该激光的性能，90%的激光被用来继续在腔内循环震荡。激光器的时域特性由数字示波器（Keysight DSOS054A）测量，脉冲的光谱特性使用光谱分析仪（Anritsu MS9740A）测量，射频频谱分析仪（Keysight N9322C）测量脉冲序列的重复频率和频谱特性，脉冲宽度利用自相关仪（Femtochrome FR-103XL）测量。

图2 光纤激光器系统示意图Fig.2 Schematic diagram of fiber laser system

3 结果与讨论

无机相转变材料GSBT 可以通过热效应改变其材料晶相，进而调控材料的性能。为了证实退火前后GSBT 样品的晶相，对其进行XRD 表征，如图3 所示，未退火的GSBT 样品没有明显的结晶峰，说明未退火的GSBT 样品呈现典型的非晶态（aGSBT）特征，而经过150 ℃下的退火修饰之后，（200）晶面的衍射峰出现在29.5°附近，这证实了GSBT 由非晶态转变为晶态（cGSBT）。图4 是测量的aGSBT 和cGSBT 样品在1 300～1 600 nm 波长范围内的吸收光谱。从图中可以看出在测试波长范围内cGSBT 样品的吸收率明显大于aGSBT 的吸收率，在1 550 nm 处的吸收率分别为5.61%和21.16%，这说明GSBT 样品结晶后对光的吸收能力有所增强。

图3 退火前后的GSBT 薄膜的XRD 图Fig.3 XRD images of GSBT films before and after annealing

图4 aGSBT 和cGSBT 薄膜的吸收光谱Fig.4 Absorption spectra of aGSBT and cGSBT

为了探索aGSBT-SA 和cGSBT-SA 的非线性吸收特性，利用双臂法非线性测试系统对其进行测试。图5 是退火前后GSBT 样品的非线性传输特性曲线，它反映了输入光功率与透射率之间的对应关系，通过式（1）拟合后得到的。

图5 GSBT 薄膜的非线性特性曲线Fig.5 Nonlinear characteristic curves of GSBT films

式中，T(I)、∆T、I、Isat和Tns分别是透射率、调制深度、输入光强、入射饱和光强和非饱和损耗。通过拟合退火前aGSBT-SA 的调制深度为2.7%，退火后cGSBT-SA 的调制深度增加至3.8%，非饱和损耗也从35.7%降至21.6%。退火后cGSBT-SA 的非线性吸收能力提升的主要原因是未退火的aGSBT 薄膜中大量不饱和键以及缺陷的存在，使其内部局域缺陷态密度高。退火后，aGSBT 形成了长程有序的结构，不饱和键减少，局域缺陷态减少，对光的吸收增多，更容易达到饱和状态［21-22］。Ge2Sb1.5Bi0.5Te5（GSBT）是通过在Ge2Sb2Te5（GST）中掺杂少量的Bi 获得的，Bi 原子在GST 中选择性地替换了部分Sb 原子［23］。退火前GSBT 的整体结构比较复杂，从局部来看，Sb（Bi）原子位于由3 个Sb-Te 键形成的直角三棱锥中的一个顶点处（图6（a）），Ge原子位于由4 个Ge-Te 键构成的四面体中心处（图6（c））。而退火后形成的晶态GSBT 是类似于NaCl 型的面心立方结构，它的（111）晶面被Te-Sb-Te-Ge 原子依次占据，其原子结构示意图如图6（e）所示。Sb（Bi）原子、Ge 原子分别位于由6 个Sb-Te 键形成八面体结构的中心（图6（b））和由6 个Ge-Te 键构成的八面体中心（图6（d）），cGSBT 整体形成了稳定的结构［24］。另一方面，非晶态GST 的带隙为0.7 eV，晶态GST 的带隙降为0.5 eV［25］，因此GSBT 转变为晶态之后带隙也会相对减小。带隙的减小使得激子的结合能也越小。结合能较低的激子，其电子空穴对的复合效率更慢，而材料的调制深度与电子空穴对的复合效率成反比。因此，带隙更小的cGSBT，其电子空穴对复合效率更慢，则调制深度越大，非线性吸收特性越优异。

图6 GSBT 中的各原子排列Fig.6 Atomic arrangement of GSBT

将cGSBT-SA 集成到图2 所示的锁模光纤激光器系统中来获得锁模激光脉冲，激光器输出如图7 所示。从图7（a）中可以看出，锁模激光器的输出功率随泵浦功率的增加而增加，当泵浦功率增加至192.6 mW 时，输出光功率达最大值3.831 mW，斜率效率为2.2%。图7（b）是激光器输出的时域脉冲序列，锁模脉冲间隔为291 ns，由此可见，基于cGSBT 可饱和吸收体的锁模激光器有稳定的脉冲输出。图7（c）为锁模输出光谱，可以看出其中心波长为1 557 nm，3dB 带宽为3.21 nm。输出脉冲的频谱图如图7（d）所示，可以得到脉冲重复频率为3.44 MHz，从图7（e）可以看出信噪比为47 dB，说明锁模脉冲工作在一个相对稳定的状态。图7（f）为锁模激光器的单脉冲形状，自相关仪测得的单脉冲轨迹通过高斯拟合后得到脉冲宽度为1.52 ps。时间带宽积公式为式中，τ 为脉冲持续时间，c为光速，∆λ为3 dB 带宽，λc是中心波长。计算可得激光脉冲的时间带宽积为0.604。每隔5 h 测量了激光器的输出光谱，在360 h 的稳定性测试时间范围内，锁模激光器的中心输出波长没有明显漂移，光谱3 dB 宽度保持稳定。

图7 基于cGSBT 可饱和吸收体的锁模激光器的输出特性Fig.7 Output characteristics of the mode-locked laser based on cGSBT saturable absorber

cGSBT-SA 的激光器输出特性证实了其在超快激光领域的应用潜力。为了进一步研究薄膜厚度对GSBT 吸收特性的影响，分别测试了60、80 nm 厚的GSBT 薄膜的光吸收率。如图8 所示，随着厚度的增加，GSBT 薄膜在1 550 nm 波长处的光吸收率逐渐增加，分别是40.44%和52.28%。因此，GSBT 作为一种潜在的可饱和吸收体材料，可以通过退火、增加膜厚等简单的方式来提升激光器输出特性。

图8 40、60、80 nm 的GSBT 的吸收光谱Fig.8 Absorption spectra of GSBT films of 40，60，80 nm

4 结论

采用磁控溅射制备了40 nm 的aGSBT 薄膜，通过退火使其转变为cGSBT 薄膜，有效地减少了局域缺陷态、减小了带隙，使其调制深度提升至3.8%。基于cGSBT-SA 构建了锁模激光器，实现了中心波长为1 557 nm、重复频率为3.44 MHz 、脉冲宽度为1.52 ps、信噪比47 dB 的激光输出。除此之外，研究了薄膜厚度对GSBT的吸收特性的影响，发现增加厚度也是GSBT 薄膜增强光吸收的一个可行的方法。GSBT 材料有望成为应用于锁模光纤激光器的可饱和吸收体材料的候选者。