二维二硫化钛宽带非线性光响应，用于超短脉冲生成和全光阈值装置

由于石墨烯的出色性能，已对类似于石墨烯的2D材料进行了深入研究，例如拓扑绝缘体，过渡金属二卤化物（TMD）和黑磷。

最近，发现一种典型的TMD 2D二硫化钛（TiS 2）具有从可见光到红外光的强光吸收特性，这在非线性光子学中非常有吸引力。

在深圳大学的一项新研究中（先进光学材料，“ 用于超短脉冲产生和全光阈值装置的2D TiS 2的宽带非线性光响应”），成功地制造了一种基于2D TiS 2纳米片的超短脉冲的可饱和吸收器装置。在通信频段生成和全光阈值。

二硫化钛的结构由以八面体结构夹在两个S层之间的Ti层组成。层间键合受到弱范德华力的影响，为从大块到极薄的几层剥离提供了可能。

在这项工作中，通过典型的胶体化学方法合成了具有均匀形态和狭窄尺寸分布的半金属TiS2纳米片。为了确保良好的性能和可重复性，选择具有约14个原子层的TiS 2纳米片来制造光学器件。

正如飞秒激光Z扫描测量所证实的那样，研究人员发现他们的设备具有400至1930 nm的宽带非线性光学响应。尽管有接近零的带隙结构，类似于石墨烯，但实验表明，TiS 2纳米片在通信带上具有比石墨烯（6.2％）更高的调制深度（18％）。

此外，TiS 2的可饱和强度确定为9.91±0.32 MW cm -2，也高于石墨烯的可饱和强度（0.61 MW cm -2）。

结果，TiS 2膜可用于光纤激光器中，以产生从可见光到中红外的超短脉冲。

图1：掺S光纤激光器中作为模锁的TiS 2纳米片的锁模性能。a）光谱；b）脉冲序列；c）自相关迹线；d）射频频谱。（图片：深圳大学磷光与光电工程实验室）

为了进一步证明可饱和吸收特性，研究人员将TiS 2纳米片用作被动锁模光纤激光器中的可饱和吸收剂。如图1所示，它具有出色的超短脉冲产生性能，脉冲持续时间约为1.04 ps（FWHM），以1569.5 nm为中心。

相应的时间带宽积（TBP）为0.34，非常接近sech 2脉冲轮廓的变换极限值（TBP = 0.314），这表明孤子脉冲的输出几乎没有chi声。

此外，当泵浦功率增加到30 dBm时，锁模状态保持稳定，这表明TiS 2可饱和吸收器器件的光学损伤阈值高于24 dBm。在30 dBm的最大泵浦功率下，得出的最大脉冲能量推断为5.05 nJ。

全光阈值可用于抑制噪声比，从而提高了信噪比（SNR），进而提高了通信信号的质量。基于TiS 2的非线性光学饱和吸收效应，高峰值功率的光脉冲受到装饰有TiS 2的微纤维的吸收较少。

在微纤维的侧壁上具有消逝场增强的光材料相互作用的TiS 2纳米片装饰的微纤维被集成到通信系统中作为噪声抑制器。

图2：用于全光阈值化的脉冲示波器示踪。a）在通过样品之前，将脉冲包络带噪声。b）通过样品后的脉冲包络。c）通过裸露的超细纤维后的脉冲包络。d）脉冲包络线的长期稳定性为80分钟。（图片：深圳大学磷光与光电工程实验室）

在该系统中，采用了可变光衰减器（VOA）来调制入射到样品的输入信号。通过调节VOA，获得了具有显着抑制的噪声的脉冲。

在图2中，SNR从样品之前的1.902 dB（请参见图2a）增加到样品之后的10.68 dB（请参见图2b），而当将裸露的超细纤维掺入到系统中时，SNR仅为4.294 dB。 （见图2c）。

此外，脉冲信噪比在80分钟内保持不变（见图2d），这有力地证明了该器件的出色稳定性。

图3：全光阈值的实验结果。a，b）SNR与VOA值的关系。c，d）相应的脉冲波形的整个演化过程。（图片：深圳大学磷光与光电工程实验室）

脉冲波形的整个演化过程记录在图3中。最初，输入功率高于饱和功率。然而，随着VOA的增加，输入功率接近或什至低于饱和功率。脉冲的透射率高于噪声的透射率。

结果，从2.2 dB开始，SNR随衰减值而增加（参见图3a），该过程在图3c中进行了演示。在图3a，c的状态之后，当朝向检测器的入射光功率足够弱时，会产生大量噪声，并且脉冲波形的SNR相应降低（请参见图3b，d）。

总而言之，这项工作建议TiS 2纳米片是具有宽带非线性光响应的实际设备的有希望的候选材料。