Precieze all‑optische controle van lichttransmissie in WSe₂‑bedekte microvezel

Samenvatting

Tungsten‑diselenide (WSe₂) heeft veel aandacht getrokken vanwege veelzijdige toepassingen, zoals p‑n‑juncties, transistors, vezel‑lasers, spintronica, en omzetting van zonne‑energie in elektriciteit. We demonstreren all‑optische afstemming van licht in WSe₂‑bedekte microvezel (MF) gebruikmakend van WSe₂'s brede absorptiebandbreedte en thermo‑optisch effect. De getransmitteerde optische vermogen (TOP) kan worden afgestemd met externe incident pomp‑lasers (405, 532, en 660 nm). De gevoeligheid onder 405‑nm pomplicht‑excitatie is 0,30 dB/mW. Een stijg/val‑tijd van ~15,3/16,9 ms wordt bereikt onder 532‑nm pomplicht‑excitatie. Theoretische simulaties worden uitgevoerd om het afstemmingsmechanisme van TOP te onderzoeken. De voordelen van dit apparaat zijn eenvoudige fabricage, all‑optische controle, hoge gevoeligheid, en snelle respons. Het voorgestelde all‑optische afstelbare apparaat heeft potentiële toepassingen in all‑optische schakelingen, all‑optische modulator, en multi‑dimensionaal afstelbare optische apparaten, enz.

Inleiding

Opto‑elektronica, fotonica, en micro‑elektronica zijn belangrijk en onmisbaar in moderne telecommunicatiesystemen. Fotonic‑apparaten samengesteld uit micro‑ of nanometer‑schaal optische componenten worden ontwikkeld om geminiaturiseerde structuur, snelle respons, en hoge gevoeligheid te bereiken. Afstelbare all‑optische apparaten kunnen worden toegepast in optische communicatie en signaalverwerking. Licht‑controle‑licht in vezel is gerapporteerd, maar het blijft een uitdaging om de prestaties te verbeteren, met name de TOP‑gevoeligheid en responstijd. Een goede manier om de prestaties te verbeteren is het gebruik van tweedimensionale (2D) overgangsmetaal‑dichalcogeniden (TMDs), die uitgebreid worden gebruikt in sensoren, opto‑elektronische apparaten, transistors, verzadigde absorbers, en geheugenapparaten. All‑optische modulatie is gerealiseerd met grafene‑gedecoreerde microvezel (MF), grafene‑bedekte MF, en stereo grafene‑MF structuren. Afstemming van MF‑apparaten is bereikt wanneer de MF verbonden is met verschillende materialen, zoals vloeibare kristal, lithium‑niobaat, en polymer. All‑optische afstelbare microvezel‑knoop‑resonator (MKR) met bovenaan en onderaan bedekt door grafene is gerealiseerd. Het bedekken van het gladde en verliesvrije oppervlak van de MF met verschillende 2D materialen maakt licht‑controle‑licht functionaliteit van MF en MF‑resonator mogelijk. All‑optische controle van licht in WS₂‑bedekte MKR is gerapporteerd met een getransmitteerd vermogen variatiesnelheid van ~0,4 dB/mW onder violet‑pomp en een responstijd van ~0,1 s. All‑optische licht‑controle‑licht functionaliteit van MKR bedekt met SnS₂ is eveneens gerealiseerd; de TOP‑variatiesnelheid ten opzichte van violet licht is ~0,22 dB/mW en de responstijd is zo snel als ~3,2 ms. De TOP van de MF omhuld met gereduceerde grafene‑oxide werd gemanipuleerd door violet‑pomp licht met een variatiesnelheid van ~0,21 dB/mW. All‑optische controle‑licht eigenschappen van MoSe₂‑bedekte‑MF zijn ook onderzocht; de TOP‑gevoeligheid is ~0,165 dB/mW onder violet‑pomp licht en de rijstijd van de transiënte respons is ~0,6 s. De TOP‑gevoeligheid en responstijd zijn belangrijke eigenschappen van MF‑apparaten. Voor toepassingen zoals all‑optische afstemming en optische modulatie zijn verbeteringen van de TOP‑gevoeligheid en responstijd vereist.

Als typisch voorbeeld van TMD‑materialen heeft tungsten‑diselenide (WSe₂) groot onderzoeksintresse ontvangen, en is het potentiële belangrijke bouwstenen voor elektronische en opto‑elektronische toepassingen. WSe₂ heeft een hoge Seebeck‑coëfficiënt, ultralage thermische geleiding, en ambipolariteit, wat het een aantrekkelijke kandidaat maakt voor flexibele elektronica. Bijvoorbeeld, elektrische afstemming van p‑n‑juncties is bereikt gebaseerd op ambipolariteit van WSe₂. Elektrische controle van tweede‑harmonische generatie in een WSe₂‑monolaag transistor is gerapporteerd met sterke exciton‑ladingseffecten in WSe₂. WSe₂ heeft een grote absorptiecoëfficiënt in het zichtbare en nabij‑infrarood gebied, wat benut wordt in omzetting van zonne‑energie in elektriciteit. In vergelijking met het sulfied is het selenide stabieler en bestand tegen oxidatie in omgevingsomstandigheden. Daarnaast biedt WSe₂ een hoge intrinsieke gat‑mobiliteit van 500 cm² V⁻¹ s⁻¹, wat veel hoger is dan die van MoS₂. Met deze eigenschap van WSe₂ zijn hoge‑mobiliteit p‑ en n‑type veld‑effect transistors gerapporteerd met monolaag WSe₂. De monolaag WSe₂ toont een direct bandgap met sterke fotoluminescentie. De niet‑lineaire verzadigde absorptie‑eigenschappen van WSe₂ zijn toegepast als verzadigde absorbers in vezel‑lasers. WSe₂ toont groot potentieel voor all‑optische controle van licht in WSe₂‑gebaseerde vezel‑apparaten.

Optische MF's zijn optische‑vezel‑tapering met een diameter van enkele tot boven de 10 µm. De MF wordt geproduceerd door eenvoudig vlam‑verhitte tap‑trekking van de vezel onder warmte. Hierdoor wordt een biconische tapering gevormd die een platform biedt voor interactie tussen het geleide licht en de omgeving en verbinding met andere vezel‑componenten. Het MF‑profiel kan fijn worden afgestemd om aan verschillende toepassingen te voldoen door de treksnelheid en ‑tijd in het fabricageproces te controleren. De MF heeft voordelen van grote evanesente velden, configureerbaarheid, lage optische verlies, strakke optische insluiting, en uitstekende mechanische flexibiliteit. De strakke optische insluiting van MF biedt een veelbelovende benadering voor klein‑voetafdruk optische schakelingen en lage‑drempel optische niet‑lineaire effecten. Sterke en snelle interactie tussen het geleide licht en de omgeving kan worden verkregen op basis van sterke evanesente velden van MF. Deze eigenschap van MF is benut voor optische sensing met verschillende configuraties, zoals vezel‑gratings ingeslagen op MF, oppervlakte‑gefunctionaliseerde MF, en Mach‑Zehnder interferometer. Sterke licht‑materie‑interactie geleverd door MF is ook toegepast om all‑optische modulator, ultrarapide vezel‑lasers, en afstemming en licht‑controle‑licht functionaliteit te realiseren.

In dit papier gebruiken we de brede absorptiebandbreedte en thermo‑optische effect van WSe₂ om all‑optische afstemming van licht in WSe₂‑bedekte MF te realiseren. Om all‑optische afstemming te realiseren, worden externe pomplicht met golflengtes van 405, 532, en 660 nm gebruikt om de MF te bestralen. Door de interactie tussen de externe pomplicht en WSe₂ wordt effectieve‑index‑verandering gerealiseerd en vervolgens uitgangsvermogen‑variatie geïnduceerd. De gemeten TOP‑gevoeligheid is 0,30 dB/mW onder 405‑nm pomplicht‑excitatie. De door externe pomplaser geïnduceerde temperatuurverandering en respons van het apparaat worden onderzocht. Theoretische simulaties worden uitgevoerd om het afstemmingsmechanisme van TOP te verifiëren.

Methoden

De concentratie van WSe₂‑dispersies was 1 mg/ml, verkregen via vloeistof‑exfoliatie‑methode. Om WSe₂‑nanosheets met uniforme distributie te verkrijgen, werd ultrasoonbehandeling van de WSe₂‑dispersies gedurende ~30 min uitgevoerd. Om de WSe₂‑nanosheets te karakteriseren, werden Raman‑ en UV‑VIS‑absorptiespectra gemeten. Het Ramanspectrum van WSe₂‑nanosheets geëxciteerd door een 488‑nm laser wordt getoond in Fig. 1a. De WSe₂‑nanosheets tonen slechts één sterke trillingsmodus rond 252,2 cm⁻¹, wat een resultaat is van degeneratie van de E₂g en A₁g modi. Een additionele Raman‑pieke verschijnt op 5–11 cm⁻¹ wanneer de WSe₂‑flakes dunner zijn dan vier lagen. Het absorptiespectrum van WSe₂‑nanosheets gemeten met een UV–VIS‑spectrofotometer (UV–2600, SHIMADZU) wordt getoond in Fig. 1b. In het golflengtebereik van 300 tot 700 nm hebben de WSe₂‑nanosheets absorptie. Van 400 tot 700 nm daalt de absorptie met golflengte. De absorptie bij drie golflengtes 405, 532, en 660 nm wordt vergeleken, zoals getoond in Fig. 1b.

De MF werd geproduceerd met de "flame‑brushing" techniek. De MF werd verkregen door een stuk standaard single‑mode vezel van Corning Inc. te trekken met een snelheid van ~0,2 mm/s, verwarmd door een vlam. Om all‑optische controle van licht in WSe₂‑bedekte MF te realiseren, is een geschikte taille van de MF vereist. Een kleinere MF‑taille stelt sterkere interactie tussen licht en WSe₂ in, maar de TOP kan te zwak zijn om te detecteren omdat het verlies groot is. Figuur 2a toont de gefabriceerde MF met een diameter van ∼9,5 µm in de uniforme taille‑regio. De inset van Fig. 2a is de microscopische afbeelding van de MF met een 650‑nm laser gelanceerd aan de invoer. De diameter van de MF werd gemeten met een optische microscoop (Zeiss Axio Scope A1 microscoop). Zoals getoond in Fig. 2b, heeft de taille‑regio van de MF een lengte van ∼6 mm en een diameter van ∼9,5 µm. De totallengte van de MF is ∼25 mm.

De volgende stap was depositie van de WSe₂‑nanosheets op de MF. Voor de depositie werd de MF vastgemaakt aan een glazen kom (20 mm × 5 mm × 1 mm) gemaakt van glas en UV‑lijm (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific). Daarna werd de WSe₂‑dispersie op de MF gedropt met een pipet. De TOP van de MF tijdens het depositieproces werd gemonitord met een 1550‑nm gedistribueerde feedback (DFB) laser. Zoals getoond in Fig. 3, voor depositie is de TOP ongeveer −10 dBm. Na 5 min depositie daalt de TOP scherp naar −43 dBm. Daarna stijgt de TOP naar −35 dBm na 14 min. De TOP wordt stabiel op −37 dBm, wat aangeeft dat de depositie is voltooid.

De scanning‑elektronenmicroscopie (SEM) afbeelding van de MF bedekt met WSe₂‑nanosheets wordt getoond in Fig. 4. Figuur 4a toont de WSe₂‑nanosheets die neerslaan op de MF met een diameter van ~9,5 µm, en de vergrote afbeelding wordt getoond in de inset van Fig. 4a. De dwarsdoorsnede‑weergave van de MF bedekt met WSe₂‑nanosheets wordt getoond in Fig. 4b. De inset van Fig. 4b toont dat de dikte van de gedeponeerde WSe₂‑nanosheets ~150 nm is.

Om lichtabsorptie van de WSe₂‑film te onderzoeken, werd lichtgeleiding in de WSe₂‑bedekte MF gesimuleerd door de eindige‑elementen‑methode in COMSOL. In het model is een 150‑nm WSe₂‑laag om de ~9,5 µm MF gewikkeld. De brekingsindices van de MF en WSe₂‑nanosheet zijn 1,46 en 2,64 + 0,2i, respectievelijk. Het berekeningsvenster is 20 µm × 20 µm en de maasgrootte is 50 nm. De golflengte was vastgezet op 1550 nm. De modus‑velddistributies van de MF en de WSe₂‑bedekte MF werden berekend. Figuur 5a toont de 2D modusdistributie bij 1550 nm. De effectieve index van de modus in de MF met de WSe₂‑laag overeenkomstig Fig. 5a is 1,4567–2,04 × 10⁻³ i, wat WSe₂'s absorptie aangeeft. De radiale velddistributie van de kaale MF en WSe₂‑bedekte MF langs de witte streep‑lijn van Fig. 5a is geplottet in Fig. 5b. De radiale velddistributie heeft dezelfde piekintensiteit bij ~0 µm. In de ingezoomde afbeelding van Fig. 5b toont de velddistributie van WSe₂‑bedekte MF een abrupte variatie als gevolg van index‑discontinuïteit.

De all‑optische controle van licht in WSe₂‑bedekte MF wordt gekarakteriseerd met de experimentele opstelling zoals getoond in Fig. 6. De 1550‑nm DFB laser (SOF–155–D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) is verbonden met de invoer van het apparaat, en de uitgang wordt gemonitord door de optische‑vermogenmeter. De 405‑, 532‑, en 660‑nm lasers worden gebruikt voor externe pomp. De MF bedekt met WSe₂ wordt bestraald door de lasers die ~10 cm boven het monster geplaatst zijn. Ten eerste wordt de TOP van de MF zonder WSe₂ gemeten met deze experimentele opstelling.

Resultaten en discussie

Figuur 7a–c toont de relatieve vermogensvariatie voor verschillende pompvermogens van de 405‑, 532‑, en 660‑nm lasers, respectievelijk. Zoals getoond in Fig. 7a, zijn de veranderingen van TOP van de kaale MF kleiner dan 0,03 dB onder 405‑nm laser‑verlichting. Vergelijkbare resultaten worden verkregen voor de 532‑ en 660‑nm lasers. De TOP‑variaties zijn kleiner dan 0,02 en 0,03 dB voor de 532‑ en 660‑nm lasers, respectievelijk.

Vervolgens wordt de TOP van de MF bedekt met WSe₂‑nanosheets gemeten onder verschillende pompvermogens. De experimenten worden uitgevoerd met de 405‑nm (violet) laser‑vermogen (LSR405NL, Lasever Inc.) variërend van 0 tot 13,3 mW. Figuur 8a plaatst de relatieve vermogensvariatie van de MF bedekt met WSe₂‑nanosheets onder 405‑nm laser‑verlichting. De TOP neemt toe met het pompvermogen. Wanneer het pompvermogen van de 405‑nm laser stijgt van 0 naar 13,3 mW, is de TOP‑variatie 4,2 dB. De TOP‑variatie is ook 4,2 dB wanneer de 405‑nm laser‑vermogen daalt van 13,3 naar 0 mW. Om de relatie tussen TOP en 405‑nm laser‑vermogen te analyseren, worden de gemiddelde waarden van de TOP voor verschillende stappen van pompvermogen in Fig. 8a geëxtraheerd. De verandering van TOP met pomplicht‑vermogen wordt getoond in Fig. 8b. De gevoeligheid van TOP‑variatie ten opzichte van pompvermogen wordt bepaald door de helling van de lineaire fit‑curve. Een gevoeligheid van 0,30 dB/mW wordt verkregen voor zowel toenemende als afnemende violet‑vermogen, wat de herhaalbaarheid en stabiliteit van de all‑optische controle van licht bevestigt. De all‑optische controle van licht van de MF bedekt met WSe₂‑nanosheets wordt geanalyseerd met de 532‑ en 660‑nm lasers. Figuur 8c presenteert de TOP‑variatie wanneer de 532‑nm (groen) laser‑vermogen stijgt van 0 naar 13,3 mW. De TOP verandert met het groene laser‑vermogen. De relatieve vermogensvariaties zijn 3,2 dB voor zowel toenemend pompvermogen (van 0 naar 13,3 mW) als afnemend pompvermogen (van 13,3 naar 0 mW). De TOP‑variatie voor verschillende pomplicht‑vermogen wordt geplottet in Fig. 8d. De gevoeligheden zijn 0,23 dB/mW voor zowel de toename‑ als afname‑processen. Vergelijkbare resultaten worden verkregen voor de 660‑nm (rood) laser‑pomp. Zoals getoond in Fig. 8e, neemt de TOP toe met 2,9 dB wanneer de rode laser‑vermogen stijgt van 0 naar 17,0 mW, en de vermogensverandering is hetzelfde voor het afname‑proces. De gevoeligheden onder rode laser‑verlichting worden verkregen uit Fig. 8f, namelijk 0,16 dB/mW voor zowel toenemend pompvermogen (van 0 naar 17,0 mW) als afnemend pompvermogen (van 17,0 naar 0 mW). In Fig. 8b, d, en f voor all‑optische afstemming is de lineariteit verschillend. Tijdens het toenemende‑vermogen‑proces zijn de R²‑waarden 0,907, 0,976, en 0,984 voor de violet, groene, en rode lasers, respectievelijk. De R²‑waarden van 0,915, 0,977, en 0,991 worden verkregen in het afnemende‑vermogen‑proces voor de violet, groene, en rode lasers, respectievelijk. Hier biedt de violet laser betere gevoeligheid maar de lineariteit van de rode laser is beter. Echter, voor all‑optische controle van licht in MoSe₂‑bedekte MF heeft het 980‑nm licht betere lineariteit en gevoeligheid dan het 405‑nm licht. Daarom is er geen consistente relatie tussen lineariteit en gevoeligheid voor verschillende apparaten onder verschillende pomp‑lasers. We geloven dat lineariteit en gevoeligheid gerelateerd zijn aan het 2D‑materiaal, de depositiemethode, de vezelstructuur, en de stabiliteit van de pomplicht.

Het moet worden opgemerkt dat de temperatuur van de MF bedekt met WSe₂ verandert onder laser‑verlichting. De temperatuur wordt vastgelegd door een thermocouple wanneer het pompvermogen verandert. Figuur 9a toont de temperatuurverandering voor verschillende violet‑pompvermogens. De temperatuur neemt toe met het pompvermogen. De temperatuur stijgt van 21,6 naar 28,1 °C wanneer het violet‑pompvermogen stijgt van 0 naar 13,3 mW. Wanneer het violet‑pompvermogen daalt van 13,3 naar 0 mW, daalt de temperatuur van 28,1 naar 22,0 °C. De temperatuurvariaties worden ook gemonitord voor de groene en rode pomp‑lasers. Zoals getoond in Fig. 9b, kunnen toenemende en afnemende groene laser‑vermogens in het bereik van 0 tot 13,3 mW temperatuurvariaties van 6,7 °C en 6,1 °C induceren, respectievelijk. Figuur 9c toont de temperatuurvariatie onder rode laser‑pomp, die dezelfde trend vertoont. 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 pompvermogen wordt geplottet in Fig. 10. Zoals getoond in Fig. 10a, geeft de lineaire fit 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 van 0,44 °C/mW en 0,41 °C/mW voor toenemend en afnemend groen pompvermogen, respectievelijk. Voor het rode pompvermogen toename‑ en afname‑proces worden de temperatuurgevoeligheden gemeten op 0,41 °C/mW. De resultaten wijzen erop dat WSe₂ beschouwd kan worden als efficiënte en compacte verwarmers voor all‑optische controle en thermo‑optische afstemming. Om de invloed van omgevingstemperatuur op de apparaatprestaties te onderzoeken, wordt de MF bedekt met WSe₂‑nanosheets op een keramische hotplate (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 verandert van 22 naar 30 °C. De resultaten verifiëren dat dit apparaat ongevoelig is voor de omgevingstemperatuur. Dit apparaat is relatief stabiel wanneer het gebruikt wordt bij hoge temperatuur voor all‑optische afstemming. Zoals getoond in Fig. 11b, wanneer de temperatuur langzaam verhoogd wordt van 70 naar 100 °C, zijn de TOP‑variaties kleiner dan 0,55 dB.

De transiënte respons van de MF bedekt met WSe₂‑nanosheets wordt gemeten met de experimentele opstelling getoond in Fig. 12. De 1550‑nm laser is verbonden met de invoer van de MF. De uitgangen van de violet, groene, en rode lasers gemoduleerd door een signaalgenerator (AFG 3102, Tektronix). De uitgang van de signaalgenerator is een blokgolf. Een fotodetector (Model 1811, New Focus) en een oscilloscoop (DS1052E, RIGOL) worden gebruikt om de uitgang van de MF te monitoren. Figuur 13a–c toont de respons gemonitord door de oscilloscoop onder violet, groene, en rode laser‑verlichting, respectievelijk. Zoals getoond in Fig. 13a, zijn de violet‑pompvermogens 16,8, 20,3, en 22,8 mW voor responstijd‑meting. De rijstijd en valtijd worden gemeten op 17,9 en 18,4 ms voor de violet laser, respectievelijk. Voor groene laser‑verlichting zijn de pompvermogens 8,3, 13,7, en 20,0 mW, zoals getoond in Fig. 13b. De rijstijd en valtijd worden gemeten op 15,3 en 16,9 ms voor de groene laser, respectievelijk. Zoals getoond in Fig. 13c, onder rode laser‑verlichting met pompvermogens van 10,7, 16,8, en 20,5 mW, zijn de rijstijd en valtijd 16,9 en 18,3 ms, respectievelijk.

De afstemmingsgevoeligheid van TOP verschilt voor de violet, groene, en rode pomp‑lasers. Dit komt doordat de absorptie veel sterker is bij kortere golflengtes, zoals getoond in Fig. 1b. De all‑optische controle van TOP is te danken aan de combinatie van thermo‑optisch effect en foton‑gegenereerde ladingsdragers in MF met WSe₂. De interactie tussen de externe pomplicht en WSe₂ induceert effectieve‑index‑verandering van WSe₂. De WSe₂‑nanosheets absorberen de pomp‑laser‑licht. De temperatuur van MF met WSe₂ stijgt met het pompvermogen, zoals getoond in Fig. 9 en 10. Het reële deel van brekingsindex (n_r) van WSe₂ daalt wanneer de temperatuur van de MF met WSe₂ stijgt. De n_r daalt ook door de toename van ladingsdrager‑concentraties wat gerelateerd is aan de geleiding van WSe₂‑nanosheets. Als gevolg varieert de effectieve brekingsindex (n_eff) van geleide modi in MF bedekt met WSe₂ door externe laser‑verlichting. De foton‑gegenereerde ladingsdragers leiden ook tot index‑variatie van WSe₂ en verandering van de n_eff. Daarom kan de TOP veranderen met externe pomp‑lasers. Met de eindige‑elementen‑methode worden simulaties uitgevoerd om de mechanismen van TOP‑afstemming te onderzoeken. Zoals getoond in Fig. 14a, neemt het reële deel van n_eff toe met n_r. Het reële deel van n_eff neemt toe van 1,4559 naar 1,4567 met n_r varierend van 2,44 naar 2,64. De elektrische‑velddistributie van de modus met n_eff van 1,4559 wordt getoond in de inset van Fig. 14a. Variatie van n_r biedt verschillende modus‑elektrische‑velddistributies. Door de elektrische‑velddistributie van de hele dwarsdoorsnede te integreren, wordt de uitgangs‑elektrische‑energie berekend. Zoals getoond in Fig. 14b, daalt de uitgangs‑elektrische‑energie met n_r van 2,44 naar 2,64 met een snelheid van 1,76 × 10⁷ W/m². Daarom neemt het uitgangsvermogen toe met het externe pompvermogen. De simulatieresultaten stemmen goed overeen met de experimentele resultaten. Om de impact van het aantal WSe₂‑lagen op de apparaatprestaties te onderzoeken, werden simulaties uitgevoerd door de eindige‑elementen‑methode in COMSOL. De dikte van de vier‑lagen WSe₂‑nanosheet is 2,8 nm, en de overeenkomstige brekingsindex van WSe₂ is 3,7 + 0,2i. De lineaire fit van het reële deel van n_eff versus n_r wordt getoond in Fig. 15a. Het reële deel van n_eff neemt toe met n_r wanneer het varieert van 3,50 naar 3,70. De elektrische‑velddistributie van de modus voor n_eff van 1,4550619 wordt getoond in de inset van Fig. 15a, wat cirkelvormig symmetrisch is. In vergelijking is de elektrische‑velddistributie van de modus in Fig. 14a asymmetrisch omdat het licht geabsorbeerd wordt door de 150‑nm WSe₂‑nanosheet. De uitgangs‑elektrische‑energie daalt wanneer n_r toeneemt van 3,50 naar 3,70 met een snelheid van 1,41 × 10⁴ W/m², zoals getoond in Fig. 15b. De variatiesnelheid van de uitgangs‑elektrische‑energie van de 150‑nm WSe₂‑nanosheet is veel groter dan die van de 2,8‑nm WSe₂‑nanosheet, wat aangeeft dat de dikke WSe₂‑nanosheet betere prestaties levert voor all‑optische afstemming.

De 3D finite‑difference time‑domain (FDTD) (Lumerical FDTD Solution) werd gebruikt om het uitgangsvermogen van de MF overlaagd met WSe₂ te berekenen. Het schema van de apparaatconfiguratie voor uitgangsvermogen‑berekening wordt getoond in Fig. 16a. In het model werden de dikte van de WSe₂‑laag, de diameter van de MF, en de brekingsindex van de MF ingesteld op 150 nm, 9,5 µm, en 1,46, respectievelijk. De lengte van de MF is ingesteld op 10 µm voor kwalitatieve berekening. De x, y en z richtingen hebben een roosterresolutie van 10 nm. De elektrische‑velddistributie in de x‑z‑vlak dwarsdoorsnede bij y = 0 µm wordt getoond in Fig. 16b. De berekende transmissie wordt getoond in Fig. 17. Zoals getoond in Fig. 17a, daalt de transmissie van de MF met n_r, en de variatietrend is consistent met de resultaten 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 de MF voor golflengtes van 1530 tot 1570 nm berekend met brekingsindex van WSe₂‑nanosheet vastgezet op 2,64 + 0,2i. Zoals getoond in Fig. 17b, daalt de transmissie met golflengte. Het verlies varieerde van 10,58 tot 10,85 dB/mm toen de golflengte veranderde van 1530 naar 1570 nm.

De prestaties van licht‑controle‑licht apparaten worden vergeleken in termen van TOP‑gevoeligheid en responstijd bij verschillende pomplicht‑golflengtes, zoals vermeld in Tabel 1. De all‑optische controle‑van‑licht structuur gedemonstreerd hier heeft hogere gevoeligheid vergeleken met de MF, MKR, en zij‑gepolijste vezel (SPF) gecombineerd met verschillende materialen. De MF bedekt met WSe₂ heeft snellere respons dan de all‑optische afstembare structuren zoals MKR gecombineerd met WS₂, MF overlaagd met MoSe₂, SPF gecombineerd met vloeibare kristallen, en MF bedekt met WS₂. Verschillende factoren dragen bij aan hogere TOP‑gevoeligheid en snellere responstijd van MF overlaagd met WSe₂. Ten eerste biedt WSe₂ brede absorptiebandbreedte in het zichtbare licht en thermo‑optisch effect voor all‑optische afstemming. Ten tweede is de MF‑structuur geoptimaliseerd voor het verbeteren van licht‑materie‑interactie. Ten derde maakt de WSe₂‑nanosheets‑coating‑methode nauwkeurige nanosheet‑dikte‑controle en uniforme materiaaldepositie mogelijk.

Conclusies

We hebben all‑optische afstemming van licht in WSe₂‑bedekte MF geproduceerd en gedemonstreerd, gebaseerd op de interactie tussen externe pomplicht en WSe₂. Door de externe bestraling van pomplicht (405, 532, en 660 nm), beloven WSe₂'s brede absorptiebandbreedte en thermo‑optisch effect effectieve‑index‑verandering en vervolgens uitgangsvermogen‑variatie. De gevoeligheid en valtijd van 0,30 dB/mW en 15,3 ms kunnen respectievelijk worden verkregen. Het afstemmingsmechanisme van TOP wordt onderzocht met simulaties. De prestaties van de MF bedekt met WSe₂, zoals TOP‑gevoeligheid en responstijd, kunnen verder worden verbeterd door gebruik te maken van monolaag dunne film, moderne nanofabricagemethoden, en geoptimaliseerde MF‑dimensies. Het werk wordt verwacht om WSe₂'s realistische toepassingen in all‑optische modulator, multi‑dimensionaal afstelbare optische apparaten, enz. te promoten.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar zonder beperkingen.

Afkortingen

2D:

Two‑dimensional (tweedimensionaal)

DFB:

Distributed feedback laser; SEM (Scanning electron microscopy / scanning‑elektronenmicroscopie)

MF:

Microfiber (microvezel)

MKR:

Microfiber knot resonator (microvezel‑knoop‑resonator)

n_eff:

Effective refractive index (effectieve brekingsindex)

n_r:

Refractive index (brekingsindex)

SPF:

Side‑polished fiber (zij‑gepolijste vezel)

TMDs:

Transition metal dichalcogenides (overgangsmetaal‑dichalcogeniden)

TOP:

Transmitted optical power (getransmitteerd optisch vermogen)