Volledig optische afstemming van licht in WSe2-gecoate microvezel

Abstract

Het wolfraamdiselenide (WSe₂ ) heeft veel belangstelling getrokken vanwege hun veelzijdige toepassingen, zoals pn-overgangen, transistors, fiberlasers, spintronica en omzetting van zonne-energie in elektriciteit. We demonstreren volledig optische afstemming van licht in WSe₂ -gecoate microvezel (MF) met behulp van WSe₂ ’s brede absorptiebandbreedte en thermo-optisch effect. Het uitgezonden optische vermogen (TOP) kan worden afgestemd met behulp van externe invalpomplasers (405, 532 en 660 nm). De gevoeligheid onder 405 nm pomplichtexcitatie is 0,30 dB/mW. Een stijg-/daaltijd van ~ 15,3/16,9 ms wordt bereikt onder 532 nm pomplichtexcitatie. Er worden theoretische simulaties uitgevoerd om het afstemmechanisme van TOP te onderzoeken. De voordelen van dit apparaat zijn eenvoudige fabricage, volledig optische controle, hoge gevoeligheid en snelle respons. Het voorgestelde volledig optische afstembare apparaat heeft potentiële toepassingen in volledig optische circuits, volledig optische modulatoren en multidimensionaal afstembare optische apparaten, enz.

Inleiding

Opto-elektronica, fotonica en micro-elektronica zijn belangrijk en onmisbaar in moderne telecommunicatiesystemen. Fotonische apparaten die zijn samengesteld uit optische componenten op micro- of nanometerschaal zijn ontwikkeld om een geminiaturiseerde structuur, snelle respons en hoge gevoeligheid te bereiken [1]. Afstembare volledig optische apparaten kunnen worden toegepast in optische communicatie en signaalverwerking. Er is melding gemaakt van het lichtregellicht in glasvezel, maar het blijft een uitdaging om de prestaties te verbeteren, met name de gevoeligheid van het uitgezonden optisch vermogen (TOP) en de responstijd. Een van de goede manieren om de prestaties te verbeteren, is het gebruik van de tweedimensionale (2D) overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's), die op grote schaal zijn gebruikt in de toepassingen van sensoren [2], opto-elektronische apparaten [3], transistors [4], verzadigbare absorbers [5] en geheugenapparaten [6]. Volledig optische modulatie is gerealiseerd met met grafeen versierde microvezel (MF) [7], met grafeen bedekte MF [8] en stereo grafeen-MF-structuren [9]. Afstemming van MF-apparaten is bereikt wanneer de MF is aangesloten op verschillende materialen, zoals vloeibaar kristal [10], lithiumniobaat [11] en polymeer [12]. Volledig optische afstembare microfiber knoopresonator (MKR) waarvan de boven- en onderkant bedekt zijn met grafeen is gerealiseerd [13]. Door het gladde en verliesvrije oppervlak van de MF te coaten met verschillende 2D-materialen, is de lichtgestuurde lichtfunctionaliteit van de MF en MF-resonator mogelijk. Volledig optische controle van licht in WS₂ -gecoate MKR is gerapporteerd met een variatiesnelheid van het uitgezonden vermogen van ~ 0,4 dB/mW onder violette pomp en een responstijd van ~ 0,1 s [14]. Volledig optische lichtregeling-lichtfunctionaliteit van MKR gecoat met SnS₂ is ook gerealiseerd; de TOP-variatiesnelheid met betrekking tot het violette licht is ~ 0.22 dB/mW en de responstijd is zo snel als ~ 3.2 ms [15]. De TOP van de MF omwikkeld met gereduceerd grafeenoxide werd gemanipuleerd door het violette pomplicht met een variatiesnelheid van ~ 0.21 dB/mW [16]. Alle lichtregeling-lichteigenschappen van MoSe₂ -coated-MF zijn ook onderzocht; de TOP-gevoeligheid is ~ 0,165 dB/mW onder violet pomplicht en de stijgtijd van de tijdelijke respons is ~ 0,6 s [17]. De TOP-gevoeligheid en responstijd zijn belangrijke eigenschappen van de MF-apparaten. Voor toepassingen zoals volledig optische afstemming en optische modulatie zijn verbeteringen van de TOP-gevoeligheid en responstijd vereist.

Als typisch voorbeeld van TMD-materialen is wolfraamdiselenide (WSe₂ ) heeft veel onderzoeksinteresse gekregen, en het is potentieel belangrijke bouwstenen voor elektronische en opto-elektronische. WSe₂ heeft een hoge Seebeck-coëfficiënt, ultralage thermische geleidbaarheid en ambipolariteit, waardoor het een aantrekkelijke kandidaat is voor flexibele elektronica [18, 19]. Elektrische afstemming van pn-overgangen is bijvoorbeeld bereikt op basis van ambipolariteit van WSe₂ [20]. Elektrische besturing van tweede harmonische generatie in een WSe₂ monolaagtransistor is gerapporteerd met behulp van sterke exciton-oplaadeffecten in WSe₂ [21]. WSe₂ heeft een grote absorptiecoëfficiënt in de zichtbare en nabij-infrarode gebieden, die is benut bij de omzetting van zonne-energie in elektriciteit [22]. In vergelijking met het sulfide is het selenide stabieler en beter bestand tegen oxidatie onder omgevingsomstandigheden [23]. Bovendien, Wse₂ biedt een hoge intrinsieke mobiliteit van gaten van 500 cm² V⁻¹ s⁻¹ , wat veel hoger is dan die van MoS₂ [24]. Gebruik van deze eigenschap van WSe₂ , zijn hoge mobiliteit p- en n-type veldeffecttransistoren gemeld met monolaag WSe₂ [25]. De monolaag WSe₂ vertoont een directe bandgap met sterke fotoluminescentie [26]. De niet-lineaire verzadigbare absorptie-eigenschappen van WSe₂ zijn toegepast als verzadigbare absorbers in fiberlasers [27]. De WSe₂ toont een groot potentieel voor volledig optische controle van licht in WSe₂ -gebaseerde glasvezelapparaten.

De optische MF's zijn taps toelopende optische vezels met een diameter van enkele tot meer dan 10 m. De MF wordt vervaardigd door een eenvoudige, met vlam verwarmde taper die de vezel onder warmte trekt. Als resultaat wordt de biconische tapsheid gevormd, wat een platform blijkt voor interactie tussen het geleide licht en de omgeving en verbinding met andere vervezelde componenten [28]. Het MF-profiel kan nauwkeurig worden afgestemd op verschillende toepassingen door de treksnelheid en -tijd in het fabricageproces te regelen. De MF heeft voordelen van grote verdwijnende velden, configureerbaarheid, laag optisch verlies, strakke optische opsluiting en uitstekende mechanische flexibiliteit [29]. De strakke optische opsluiting van MF biedt een veelbelovende benadering van optische circuits met een kleine voetafdruk en een laagdrempelig optisch niet-lineair effect. Een sterke en snelle interactie tussen het geleide licht en de omgeving kan worden verkregen op basis van sterke verdwijnende velden van MF. Deze eigenschap van MF is gebruikt voor optische detectie met verschillende configuraties, zoals vezelroosters ingeschreven op MF [30], oppervlakte-gefunctionaliseerde MF [31] en Mach-Zehnder interferometer [32, 33]. Sterke licht-materie-interactie door MF is ook toegepast om volledig optische modulator, ultrasnelle fiberlasers [34, 35] en afstemming en lichtregeling-lichtfunctionaliteit te realiseren.

In dit artikel gebruiken we de brede absorptiebandbreedte en het thermo-optische effect van WSe₂ om volledig optische afstemming van licht te bereiken in WSe₂ gecoate MF. Om volledig optische afstemming te realiseren, wordt het externe pomplicht met golflengten van 405, 532 en 660 nm gebruikt om de MF te bestralen. Door gebruik te maken van de interactie tussen het externe pomplicht en WSe₂ , wordt een effectieve indexverandering gerealiseerd en veroorzaakt vervolgens variatie in het uitgangsvermogen. De gemeten TOP-gevoeligheid is 0,30 dB/mW onder 405-nm pomplichtexcitatie. De externe pomp laser-geïnduceerde temperatuurverandering en respons van het apparaat worden onderzocht. Er worden theoretische simulaties uitgevoerd om het afstemmechanisme van TOP te verifiëren.

Methoden

De concentratie van WSe₂ dispersies was 1 mg / ml, die werd verkregen door middel van vloeibare exfoliatie. Om WSe₂ . te verkrijgen nanosheets met uniforme verdeling, ultrasone behandeling van de WSe₂ dispersies gedurende ~ 30 min werden uitgevoerd. Om de WSe₂ . te karakteriseren nanosheets, Raman en UV-VIS absorptiespectrum werden gemeten. Het Raman-spectrum van WSe₂ nanosheets geëxciteerd door een laser van 488 nm worden getoond in figuur 1a. De WSe₂ nanosheets tonen slechts één sterke vibratiemodus rond 252,2 cm^–1 , wat het gevolg is van degeneratie van de E_2g en A_1g modi. Er verschijnt een extra Raman-piek op 5–11 cm⁻¹ wanneer de WSe₂ vlokken zijn dunner dan vier lagen [36]. Het absorptiespectrum van WSe₂ nanosheets gemeten met een UV-VIS-spectrofotometer (UV-2600, SHIMADZU) worden getoond in Fig. 1b. In het golflengtebereik van 300 tot 700 nm, de WSe₂ nanosheets hebben absorptie. Van 400 tot 700 nm neemt de absorptie af met de golflengte. De absorptie bij drie golflengten 405, 532 en 660 nm wordt vergeleken, zoals weergegeven in figuur 1b.

een Raman-spectrum van WSe₂ . b Absorptiespectrum van WSe₂

De MF is vervaardigd met behulp van de "flame-brushing"-techniek. De MF werd verkregen door een stuk van een standaard single-mode vezel van Corning Inc. te trekken met een snelheid van ~0,2 mm/sec, verwarmd door een vlam. Om volledig optische controle van licht te realiseren in WSe₂ -gecoate MF, geschikte taille van de MF is vereist. Een kleinere MF-taille zorgt voor een sterkere interactie tussen licht en WSe₂ , maar de TOP is mogelijk te zwak om te worden gedetecteerd omdat het verlies groot is. Figuur 2a toont de gefabriceerde MF met een diameter van ∼ 9,5 m in het uniforme taillegebied. De inzet van figuur 2a is het microscopische beeld van de MF met een 650 nm laser gelanceerd aan de ingang. De diameter van de MF werd gemeten met een optische microscoop (Zeiss Axio Scope A1 microscoop). Zoals getoond in figuur 2b, heeft het taillegebied van de MF een lengte van ∼ 6 mm en een diameter van ∼ 9,5 μm. De totale lengte van de MF is ∼ 25 mm.

een Microscopisch beeld van de gefabriceerde MF. b Morfologische eigenschap van MF

De volgende stap was de afzetting van de WSe₂ nanosheets op de MF. Vóór de afzetting werd de MF bevestigd aan een glazen bak (20 mm x 5 mm x 1 mm) die was gemaakt van glas en UV-lijm (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific). Daarna wordt de Wse₂ dispersie werd met een pipet op de MF gedruppeld. De TOP van MF tijdens het depositieproces werd gevolgd met behulp van een 1550 nm gedistribueerde feedback (DFB) laser. Zoals getoond in Fig. 3, vóór depositie, is de TOP ongeveer − 10 dBm. Na 5 min depositie neemt de TOP sterk af tot − 43 dBm. Daarna neemt de TOP toe tot − 35 dBm na 14 min. De TOP wordt stabiel op − 37 dBm, wat aangeeft dat de depositie is voltooid.

Variatie van TOP in MF tijdens de afzetting van WSe₂

Het scanning elektronenmicroscopie (SEM) beeld van de MF gecoat met WSe₂ nanosheets wordt getoond in Fig. 4. Figuur 4a toont de WSe₂ nanosheets precipiteren op de MF met een diameter van ~ 9,5 m, en het vergrote beeld wordt getoond in de inzet van figuur 4a. De dwarsdoorsnede van de MF gecoat met WSe₂ nanosheets wordt getoond in Fig. 4b. De inzet van Fig. 4b laat zien dat de dikte van afgezette WSe₂ nanosheets is ~ 150 nm.

een SEM-afbeelding van de MF gecoat met WSe₂ . b Dwarsdoorsnede van de MF gecoat met WSe₂ nanobladen

Lichtabsorptie van de WSe₂ . onderzoeken film, lichtgeleiding in de WSe₂ -gecoate MF werd gesimuleerd door de eindige-elementenmethode in COMSOL. In het model een 150 nm WSe₂ laag is gewikkeld rond de ~ 9,5 μm MF. De brekingsindices van de MF en WSe₂ nanosheet zijn respectievelijk 1,46 en 2,64 + 0,2i [37]. Het berekeningsvenster is 20 m × 20 m en de maaswijdte is 50 nm. De golflengte werd vastgesteld op 1550 nm. De modusveldverdelingen van de MF en de WSe₂ -gecoate MF werden berekend. Figuur 5a toont de 2D-modusverdeling bij 1550 nm. De effectieve index van de modus in de MF met de Wse₂ laag die overeenkomt met Fig. 5a is 1,4567-2,04 × 10⁻³ i, met vermelding van Wse₂ absorptie. De radiale veldverdeling van de kale MF en WSe₂ -gecoate MF langs de witte stippellijn van Fig. 5a is uitgezet in Fig. 5b. De radiale veldverdeling heeft dezelfde piekintensiteit bij ~ 0 μm. In de ingezoomde afbeelding van Fig. 5b, de veldverdeling van WSe₂ -coated MF vertoont een abrupte variatie als gevolg van indexdiscontinuïteit.

een 2D-veldverdeling van de gesimuleerde geleidingsmodus in WSe₂ -gecoate MF. b Radiale veldverdeling van de kale MF en WSe₂ -gecoate MF, en de inzet toont een ingezoomd beeld van het veld aan het MF-oppervlak

De volledig optische controle van licht in WSe₂ -gecoate MF wordt gekarakteriseerd met behulp van de experimentele opstelling zoals weergegeven in Fig. 6. De 1550-nm DFB-laser (SOF-155-D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) is aangesloten op de ingang van het apparaat en de uitvoer wordt gecontroleerd door de optische vermogensmeter. De 405-, 532- en 660-nm lasers worden gebruikt voor externe pomp. De MF gecoat met WSe₂ wordt bestraald door de lasers die ~ 10 cm boven het monster worden geplaatst. Ten eerste, de TOP van MF zonder WSe₂ wordt gemeten met behulp van deze experimentele opstelling.

Experimentele opstelling voor het meten van de TOP van het apparaat onder externe laserlichtverlichting

Resultaten en discussie

Afbeelding 7a-c toont de relatieve vermogensvariatie voor verschillende pompvermogens van respectievelijk de 405-, 532- en 660 nm-lasers. Zoals getoond in Fig. 7a, zijn de veranderingen van TOP van de blote MF kleiner dan 0, 03 dB onder 405 nm laserbestraling. Soortgelijke resultaten worden verkregen voor de 532- en 660 nm-lasers. De TOP-variaties zijn kleiner dan 0,02 en 0,03 dB voor respectievelijk de 532- en 660 nm-lasers.

TOP verandert met verschillende pompvermogens onder a 405-nm laser, b 532 nm laser en c 660 nm laserverlichting

Dan de TOP van de MF gecoat met WSe₂ nanosheets wordt gemeten onder verschillende pompkrachten. De experimenten worden uitgevoerd met het 405-nm (violette) laservermogen (LSR405NL, Lasever Inc.) variërend van 0 tot 13,3 mW. Figuur 8a geeft de relatieve vermogensvariatie weer van de MF gecoat met WSe₂ nanosheets onder 405-nm laserverlichting. De TOP neemt toe met het pompvermogen. Wanneer het pompvermogen van een laser van 405 nm toeneemt van 0 tot 13,3 mW, is de TOP-variatie 4,2 dB. De TOP-variatie is ook 4,2 dB wanneer het laservermogen van 405 m afneemt van 13,3 naar 0 mW. Om de relatie tussen het TOP- en 405-nm laservermogen te analyseren, worden de gemiddelde waarden van de TOP voor verschillende stappen van pompvermogen in Fig. 8a geëxtraheerd. De verandering van TOP met pomplichtvermogen wordt getoond in Fig. 8b. De gevoeligheid van de TOP-variatie voor het pompvermogen wordt bepaald door de helling van de lineaire fittingcurve. Een gevoeligheid van 0,30 dB/mW wordt verkregen voor zowel het verhogen van het violette vermogen als het verlagen van het violette vermogen, waarbij wordt gecontroleerd of de volledig optische controle van licht een goede herhaalbaarheid en stabiliteit heeft. De volledig optische controle van het licht van de MF gecoat met Wse₂ nanosheets wordt geanalyseerd met de 532- en 660-nm lasers. Figuur 8 c geeft de TOP-variatie weer wanneer het 532 nm (groene) laservermogen toeneemt van 0 tot 13,3 mW. De TOP verandert met het groene laservermogen. De relatieve vermogensvariaties zijn 3,2 dB voor zowel toenemend pompvermogen (van 0 tot 13,3 mW) als afnemend pompvermogen (van 13,3 tot 0 mW). De TOP-variatie voor verschillende pomplichtvermogens is uitgezet in figuur 8d. De gevoeligheden zijn 0.23 dB/mW voor zowel het stijgings- als het dalingsproces. Soortgelijke resultaten worden verkregen voor de 660 nm (rode) laserpomp. Zoals getoond in Fig. 8e, neemt de TOP toe met 2,9 dB wanneer het rode laservermogen toeneemt van 0 tot 17,0 mW, en de vermogensverandering is hetzelfde voor het afnameproces. De gevoeligheden onder de rode laserverlichting worden verkregen uit Fig. 8f, die 0,16 dB / mW zijn voor zowel het toenemende pompvermogen (van 0 tot 17,0 mW) als het afnemende pompvermogen (van 17,0 tot 0 mW). In Fig. 8b, d en f voor volledig optische afstemming is de lineariteit anders. Tijdens het proces van toenemende energie wordt de R ² waarden zijn respectievelijk 0,907, 0,976 en 0,984 voor de violette, groene en rode lasers. De R ² waarden van 0,915, 0,977 en 0,991 worden verkregen in het proces van afnemend vermogen voor respectievelijk de violette, groene en rode lasers. Hier zorgt de violette laser voor een betere gevoeligheid, maar de lineariteit van de rode laser is beter. Echter, voor volledig optische controle van licht in MoSe_2- gecoate MF, heeft het 980-nm-licht een betere lineariteit en gevoeligheid dan het 405-nm-licht [17]. Daarom is er geen consistente relatie tussen lineariteit en gevoeligheid voor verschillende apparaten onder verschillende pomplasers. We denken dat de lineariteit en gevoeligheid gerelateerd zijn aan het 2D-materiaal, de depositiemethode, de vezelstructuur en de stabiliteit van het pomplicht.

een TOP-variatie onder verschillende 405-nm laservermogen. b TOP-variatie versus 405-nm pomplichtvermogen. c TOP-variatie onder verschillende 532 nm laservermogen. d TOP-variatie versus 532 nm pomplichtvermogen. e TOP-variatie onder verschillende laservermogens van 660 nm. v TOP-variatie versus 660 nm pomplichtvermogen

Opgemerkt moet worden dat de temperatuur van de MF gecoat met WSe₂ veranderingen onder laserverlichting. De temperatuur wordt geregistreerd door een thermokoppel wanneer het pompvermogen verandert. Figuur 9a toont de temperatuurverandering voor verschillende paarse pompvermogens. De temperatuur stijgt met het pompvermogen. De temperatuur stijgt van 21,6 tot 28,1 °C wanneer het paarse pompvermogen stijgt van 0 tot 13,3 mW. Wanneer het paarse pompvermogen daalt van 13,3 naar 0 mW, daalt de temperatuur van 28,1 naar 22,0 °C. Ook voor de groene en rode pomplasers worden de temperatuurschommelingen gemonitord. Zoals getoond in Fig. 9b, kan het verhogen en verlagen van de groene laservermogens in het bereik van 0 tot 13,3 mW respectievelijk 6,7 ° C en 6,1 ° C temperatuurvariaties veroorzaken. Figuur 9 c toont de temperatuurvariatie onder rode laserpomp, die dezelfde variërende trend heeft. De temperatuur verandert met 7,1 °C en 7,0 °C wanneer het rode pompvermogen varieert tussen 0 en 17,0 mW. De temperatuur als functie van het pompvermogen is uitgezet in Fig. 10. Zoals getoond in Fig. 10a, geeft de lineaire aanpassing van de temperatuurvariatie gevoeligheden van 0,46 °C/mW en 0,44 °C/mW voor toenemend en afnemend violet pompvermogen , respectievelijk. Figuur 10b toont de temperatuurgevoeligheden die respectievelijk 0,44 °C/mW en 0,41 °C/mW zijn voor toenemend en afnemend groen pompvermogen. Voor het proces van verhoging en verlaging van het pompvermogen van de rode pomp worden de temperatuurgevoeligheden gemeten op 0,41 °C/mW. De resultaten geven de Wse₂ . aan kunnen worden beschouwd als efficiënte en compacte verwarmers voor volledig optische besturing en thermo-optische afstemming [38]. Om de invloed van de omgevingstemperatuur op de prestaties van het apparaat te onderzoeken, is de MF gecoat met WSe₂ nanosheets wordt op een keramische kookplaat (CHP-250DF, AS ONE) geplaatst voor TOP-meting. Zoals getoond in Fig. 11a, zijn de TOP-variaties kleiner dan 0,03 dB wanneer de kamertemperatuur wordt gewijzigd van 22 naar 30 °C. De resultaten die bevestigen dat dit apparaat ongevoelig is voor de omgevingstemperatuur. Zoals getoond in Fig. 11a, zijn de TOP-variaties kleiner dan 0,03 dB wanneer de kamertemperatuur wordt gewijzigd van 22 naar 30 °C. De resultaten die bevestigen dat dit apparaat ongevoelig is voor de omgevingstemperatuur. Dit apparaat is relatief stabiel wanneer het bij hoge temperaturen wordt gebruikt voor volledig optische afstemming. Zoals getoond in Fig. 11b, wanneer de temperatuur langzaam wordt verhoogd van 70 tot 100 °C, zijn de TOP-variaties kleiner dan 0,55 dB.

Temperatuur van de MF gecoat met WSe₂ nanosheets voor verschillende a violet pompvermogen, b groene pompstroom, en c rode pompkracht

Temperatuur als functie van pompvermogen voor a violette laser, b groene laser, en c rode laser

BOVENKANT van de MF gecoat met WSe₂ nanosheets onder a verschillende omgevingstemperatuur en b hoge temperatuur

De tijdelijke respons van de MF gecoat met WSe₂ nanosheets wordt gemeten met behulp van de experimentele opstelling getoond in Fig. 12. De 1550-nm laser is verbonden met de ingang van de MF. De uitgangen van de violette, groene en rode lasers worden gemoduleerd door een signaalgenerator (AFG 3102, Tektronix). De output van de signaalgenerator is een blokgolf. Een fotodetector (Model 1811, New Focus) en een oscilloscoop (DS1052E, RIGOL) worden gebruikt om de output van de MF te bewaken. Afbeelding 13 a–c toont de respons die wordt gevolgd door de oscilloscoop onder respectievelijk violette, groene en rode laserverlichting. Zoals getoond in Fig. 13a, zijn de paarse pompvermogens 16,8, 20,3 en 22,8 mW voor responstijdmeting. De stijgtijd en daaltijd worden gemeten als respectievelijk 17,9 en 18,4 ms voor de violette laser. Voor groene laserverlichting zijn de pompvermogens 8,3, 13,7 en 20,0 mW, zoals weergegeven in Fig. 13b. De stijgtijd en daaltijd worden gemeten als respectievelijk 15,3 en 16,9 ms voor de groene laser. Zoals getoond in Fig. 13c, zijn onder rode laserverlichting met pompvermogens van 10,7, 16,8 en 20,5 mW de stijgtijd en daaltijd respectievelijk 16,9 en 18,3 ms.

Experimentele opzet van de transiënte responsmeting

Reactietijd van de MF gecoat met WSe₂ nanosheets met een pomplichtgolflengte van a violette laserverlichting, b groene laserverlichting en c rode laserverlichting

De afstemgevoeligheid van TOP is verschillend voor de violette, groene en rode pomplasers. Dit komt omdat de absorptie veel sterker is bij kortere golflengten, zoals weergegeven in figuur 1b. De volledig optische controle van TOP is te danken aan de combinatie van thermo-optisch effect en door fotonen gegenereerde dragers in MF met WSe₂ . De interactie tussen het externe pomplicht en WSe₂ induceert effectieve indexverandering van Wse₂ . De WSe₂ nanosheets absorberen het laserlicht van de pomp. De temperatuur van MF met WSe₂ neemt toe met het pompvermogen, zoals getoond in Fig. 9 en 10. Het reële deel van de brekingsindex (n _r ) van WSe₂ neemt af wanneer de temperatuur van de MF met WSe₂ neemt toe [39]. De n _r neemt ook af als gevolg van de toename van de dragerconcentraties die verband houdt met de geleidbaarheid van WSe₂ nanobladen [40]. Hierdoor wordt de effectieve brekingsindex (n _eff ) van geleide modi in MF gecoat met WSe₂ wordt gevarieerd door externe laserverlichting. De door fotonen gegenereerde dragers leiden ook tot indexvariatie van WSe₂ en verandering van de n _eff [38]. Daarom kan de TOP worden gewijzigd met externe pomplasers. Met behulp van de eindige-elementenmethode worden simulaties uitgevoerd om de mechanismen van TOP-tuning te onderzoeken. Zoals getoond in Fig. 14a, is het reële deel van n _eff neemt toe met n _r . Het echte deel van n _eff neemt toe van 1.4559 naar 1.4567 met n _r variërend van 2,44 tot 2,64 [41, 42]. De elektrische veldverdeling van de modus met n _eff van 1.4559 wordt getoond in de inzet van Fig. 14a. Variatie van n _r biedt elektrische veldverdelingen in verschillende modi. Door de elektrische veldverdeling van de hele dwarsdoorsnede te integreren, wordt de output elektrische energie berekend. Zoals getoond in Fig. 14b, neemt de output elektrische energie af met n _r van 2,44 tot 2,64 met een snelheid van 1,76 × 10⁷ W/m.² Daarom neemt het uitgangsvermogen toe met het externe pompvermogen. De simulatieresultaten komen goed overeen met de experimentele resultaten. Om de impact van de WSe₂ . te onderzoeken laagnummer op de apparaatprestaties, simulaties werden uitgevoerd door de eindige-elementenmethode in COMSOL. De dikte van de vierlaagse WSe₂ nanosheet is 2,8 nm, en de overeenkomstige brekingsindex van WSe₂ is 3,7 + 0,2i [43]. De lineaire pasvorm van het reële deel van n _eff versus n _r wordt getoond in Fig. 15a. Het echte deel van n _eff neemt toe met n _r wanneer het wordt gevarieerd van 3,50 tot 3,70. De elektrische veldverdeling van de modus voor n _eff van 1.4550619 wordt getoond in de inzet van Fig. 15a die cirkelsymmetrisch is. Ter vergelijking:de elektrische veldverdeling van de modus in Fig. 14a is asymmetrisch omdat het licht wordt geabsorbeerd door de 150 nm WSe₂ nanoblad. De output elektrische energie neemt af wanneer n _r stijgt van 3,50 naar 3,70 met een snelheid van 1,41 × 10⁴ W/m² , zoals getoond in Fig. 15b. De variatiesnelheid van de output elektrische energie van de 150 nm WSe₂ nanosheet is veel groter dan die van de 2,8-nm WSe₂ nanosheet, met vermelding van de dikke WSe₂ nanosheet biedt betere prestaties voor volledig optische afstemming.

een Het echte deel van n _eff als een functie van n _r voor 150 nm WSe₂ nanoblad. En de inzet is de elektrische veldverdeling van de modus met n _eff van 1.4559. b Afhankelijkheid van output elektrische energie van n _r voor 150 nm WSe₂ nanoblad

een Het echte deel van n _eff versus n _r voor de vierlaagse WSe₂ nanoblad. En de inzet is de elektrische veldverdeling van de modus met n _eff van 1.4550619. b Afhankelijkheid van output elektrische energie van n _r voor de vierlaagse WSe₂ nanoblad

Het 3D finite-difference time-domain (FDTD) (Lumerical FDTD Solution) werd gebruikt om het uitgangsvermogen van de MF te berekenen met daarop WSe₂ . Het schema van de apparaatconfiguratie voor de berekening van het uitgangsvermogen wordt getoond in Fig. 16a. In het model is de dikte van WSe₂ laag, de diameter van MF en de brekingsindex van de MF werden ingesteld op respectievelijk 150 nm, 9,5 m en 1,46. De lengte van de MF is ingesteld op 10 m voor kwalitatieve berekening. De x , j en z richtingen hebben een rasterresolutie van 10 nm. De elektrische veldverdeling in de x -z vlakke dwarsdoorsnede bij y =0 μm wordt getoond in Fig. 16b. De berekende transmissie wordt getoond in Fig. 17. Zoals getoond in Fig.17a, neemt de transmissie van de MF af met n _r en de variatietrend komt overeen met de resultaten die zijn verkregen met COMSOL. De verliezen zijn 10,80 en 10,94 dB/mm voor n _r =2.44 en n _r =2,64, respectievelijk. Vervolgens werd de transmissie van MF voor golflengten van 1530 tot 1570 nm berekend met de brekingsindex van WSe₂ nanosheet vastgesteld op 2,64 + 0,2i. Zoals getoond in Fig. 17b, neemt de transmissie af met de golflengte. Het verlies varieerde van 10,58 tot 10,85 dB/mm toen de golflengte veranderde van 1530 naar 1570 nm.

een Het schema van de apparaatconfiguratie voor berekening met 3D FDTD. b De elektrische veldverdeling in de x -z vlakke doorsnede

Berekende transmissie als functie van a n _r en b golflengte

The performance of light–control-light devices are compared in terms of TOP sensitivity and response time at different pump light wavelengths, as listed in Table 1. The all-optical control of light structure demonstrated here has higher sensitivity compared with the MF, MKR, and side-polished fiber (SPF) combined with various materials. The MF coated with WSe₂ has faster response than the all-optical tuning structures such as MKR combined with WS₂ , MF overlaid with MoSe₂ , SPF combined with liquid crystals, and MF covered with WS₂ . Different factors contribute to higher TOP sensitivity and faster response time of MF overlaid with WSe₂ . Firstly, the WSe₂ provides broad absorption bandwidth in the visible light and thermo-optic effect for all-optical tuning. Secondly, the MF structure is optimized for enhancing the light-matter interaction. Thirdly, the WSe₂ nanosheets coating method enables precise nanosheet thickness control and uniform material deposition.

Conclusies

We have fabricated and demonstrated all-optical tuning of light in WSe₂ -coated MF based on the interaction between external pump light and WSe₂ . Through the external irradiation of pump light (405, 532, and 660 nm), WSe₂ ’s broad absorption bandwidth and thermo-optic effect promise effective index change and subsequently output power variation. The sensitivity and fall time of 0.30 dB/mW and 15.3 ms can be obtained, respectively. The tuning mechanism of TOP is investigated with simulations. The performance of the MF covered with WSe₂ such as TOP sensitivity and response time can be further improved by using monolayer thin film, modern nanofabrication methods, and optimized MF dimensions. The work is expected to promote WSe₂ ’s realistic applications in all-optical modulator, multi-dimensionally tunable optical devices, etc.