Полностью оптическая настройка света в микрофибре с покрытием WSe2

Введение

Оптоэлектроника, фотоника и микроэлектроника важны и незаменимы в современных телекоммуникационных системах. Фотонные устройства, состоящие из оптических компонентов микро- или нанометрового масштаба, разработаны для достижения миниатюрной структуры, быстрого отклика и высокой чувствительности [1]. Настраиваемые полностью оптические устройства могут применяться в оптической связи и обработке сигналов. Сообщалось о световом контроле в оптоволокне, но по-прежнему существует проблема повышения производительности, особенно чувствительности передаваемой оптической мощности (TOP) и времени отклика. Одним из хороших способов повышения производительности является использование двумерных (2D) дихалькогенидов переходных металлов (TMD), которые широко используются в датчиках [2], оптоэлектронных устройствах [3], транзисторах [4], насыщаемые поглотители [5] и запоминающие устройства [6]. Полностью оптическая модуляция была реализована с использованием микроволокон, декорированных графеном (MF) [7], MF, покрытых графеном [8], и структур стерео графен-MF [9]. Настройка устройств MF была достигнута, когда MF подключен к различным материалам, таким как жидкий кристалл [10], ниобат лития [11] и полимер [12]. Реализован полностью оптический перестраиваемый узловой резонатор из микрофибры (МКР), верх и низ которого покрыты графеном [13]. Покрытие гладкой и без потерь поверхности MF различными 2D-материалами позволяет реализовать функцию управления светом в MF и MF резонаторах. Полностью оптический контроль света в WS ₂ Сообщалось, что MKR с покрытием имеет скорость изменения передаваемой мощности ~ 0,4 дБ / мВт при фиолетовой накачке и время отклика ~ 0,1 с [14]. Полностью оптическая функция управления светом MKR с покрытием SnS ₂ также было реализовано; скорость изменения TOP по отношению к фиолетовому свету составляет ~ 0,22 дБ / мВт, а время отклика составляет ~ 3,2 мс [15]. Верхняя часть МП, обернутая восстановленным оксидом графена, управлялась фиолетовым светом накачки со скоростью изменения ~ 0,21 дБ / мВт [16]. Все свойства управления светом MoSe ₂ -покрытые-MF также были исследованы; Чувствительность TOP составляет ~ 0,165 дБ / мВт при фиолетовом свете накачки, а время нарастания переходной характеристики составляет ~ 0,6 с [17]. Чувствительность TOP и время отклика - важные свойства устройств MF. Для таких приложений, как полностью оптическая настройка и оптическая модуляция, требуются улучшения чувствительности TOP и времени отклика.

Как типичный пример материалов TMD, диселенид вольфрама (WSe ₂ ) получил большой исследовательский интерес, и это потенциально важные строительные блоки для электроники и оптоэлектроники. WSe ₂ имеет высокий коэффициент Зеебека, сверхнизкую теплопроводность и амбиполярность, что делает его привлекательным кандидатом для гибкой электроники [18, 19]. Например, электрическая настройка p-n-переходов была достигнута на основе амбиполярности WSe ₂ [20]. Электрический контроль генерации второй гармоники в WSe ₂ сообщалось, что однослойный транзистор использует сильные эффекты зарядки экситонов в WSe ₂ [21]. WSe ₂ имеет большой коэффициент поглощения в видимой и ближней инфракрасной областях, который использовался при преобразовании солнечной энергии в электричество [22]. По сравнению с сульфидом селенид более стабилен и устойчив к окислению в условиях окружающей среды [23]. Кроме того, WSe ₂ обеспечивает высокую внутреннюю подвижность дырок - 500 см ² V ^-1 s ⁻¹ , что намного выше, чем у MoS ₂ [24]. Используя это свойство WSe ₂ сообщалось о полевых транзисторах p- и n-типа с высокой подвижностью с однослойным WSe ₂ [25]. Монослой WSe ₂ показывает прямую запрещенную зону с сильной фотолюминесценцией [26]. Свойства нелинейного насыщающегося поглощения WSe ₂ применялись в качестве насыщающихся поглотителей в волоконных лазерах [27]. WSe ₂ показывает большой потенциал для полностью оптического управления светом в WSe ₂ оптоволоконные устройства.

Оптические МП представляют собой конусы из оптического волокна диаметром от нескольких до более 10 мкм. MF изготавливается с помощью простого нагреваемого пламенем конуса, вытягивающего волокно под действием тепла. В результате формируется биконический конус, представляющий собой платформу для взаимодействия между направляемым светом и окружающей средой и соединения с другими волокнистыми компонентами [28]. Профиль MF можно точно настроить для различных применений, управляя скоростью и временем вытягивания в процессе изготовления. MF имеет преимущества в виде больших исчезающих полей, возможности конфигурирования, низких оптических потерь, жестких оптических ограничений и выдающейся механической гибкости [29]. Жесткое оптическое ограничение МП обеспечивает многообещающий подход к созданию оптических схем с малой занимаемой площадью и низкопороговым оптическим нелинейным эффектом. Сильное и быстрое взаимодействие между направляемым светом и окружающей средой может быть получено на основе сильных исчезающих полей МП. Это свойство МП использовалось для оптического зондирования с различными конфигурациями, такими как волоконная решетка, вписанная в МП [30], МП с функционализированной поверхностью [31] и интерферометр Маха – Цендера [32, 33]. Сильное взаимодействие света с веществом, обеспечиваемое MF, также применялось для реализации полностью оптического модулятора, сверхбыстрых волоконных лазеров [34, 35], а также функций настройки и управления светом.

В этой статье мы используем широкую полосу поглощения и термооптический эффект WSe ₂ для выполнения полностью оптической настройки света в WSe ₂ МФ с покрытием. Чтобы реализовать полностью оптическую настройку, для облучения МП используется свет внешней накачки с длинами волн 405, 532 и 660 нм. За счет взаимодействия между внешним светом накачки и WSe ₂ , эффективное изменение индекса реализуется и впоследствии вызывает изменение выходной мощности. Измеренная чувствительность TOP составляет 0,30 дБ / мВт при возбуждении светом накачки 405 нм. Исследованы изменение температуры и отклик устройства под действием внешнего лазера накачки. Теоретическое моделирование выполняется для проверки механизма настройки TOP.

Методы

Концентрация WSe ₂ дисперсия составляла 1 мг / мл, что было получено методом жидкого отшелушивания. Для получения WSe ₂ нанолисты с равномерным распределением, ультразвуковая обработка WSe ₂ диспергирования в течение ~ 30 мин. Чтобы охарактеризовать WSe ₂ нанолистов, рамановского и УФ-видимого спектра поглощения. Рамановский спектр WSe ₂ Нанолисты, возбуждаемые лазером с длиной волны 488 нм, показаны на рис. 1а. WSe ₂ нанолисты отображают только одну сильную колебательную моду около 252,2 см ^–1 , что является результатом вырождения E _2g и A _1g режимы. Дополнительный пик комбинационного рассеяния появится при 5–11 см ⁻¹ . когда WSe ₂ чешуйки тоньше четырех слоев [36]. Спектр поглощения WSe ₂ Нанолисты, измеренные спектрофотометром UV – VIS (UV – 2600, SHIMADZU), показаны на рис. 1б. В диапазоне длин волн от 300 до 700 нм WSe ₂ нанолисты обладают абсорбцией. От 400 до 700 нм поглощение уменьшается с увеличением длины волны. Сравнивается поглощение на трех длинах волн 405, 532 и 660 нм, как показано на рис. 1b.

а Рамановский спектр WSe ₂ . б Спектр поглощения WSe ₂

MF был изготовлен методом «чистки пламенем». МП был получен путем вытягивания отрезка стандартного одномодового волокна от Corning Inc. на скорости ~ 0,2 мм / с, нагретого пламенем. Для реализации полностью оптического управления светом в WSe ₂ МЖ с покрытием, требуется соответствующая перетяжка МЖ. Меньшая талия MF обеспечивает более сильное взаимодействие между светом и WSe ₂ , но TOP может быть слишком слабым, чтобы его можно было обнаружить, поскольку потери велики. На рис. 2а показан изготовленный МП диаметром ∼ 9,5 мкм в области однородной перетяжки. На вставке к рис. 2а представлено микроскопическое изображение МП при включенном на входе лазере с длиной волны 650 нм. Диаметр МП измеряли с помощью оптического микроскопа (микроскоп Zeiss Axio Scope A1). Как показано на рис. 2b, перетяжка МП имеет длину ∼ 6 мм и диаметр ∼ 9,5 мкм. Общая длина МП составляет ∼ 25 мм.

а Микроскопическое изображение изготовленного МП. б Морфологическая характеристика МЖ

Следующим шагом было нанесение WSe ₂ нанолистов на МЖ. Перед осаждением MF фиксировали в стеклянной ванне (20 мм × 5 мм × 1 мм), которая была сделана из стекла и УФ-клея (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific). После этого WSe ₂ дисперсию наносили на MF с помощью пипетки. ВЕРХ МЖ в процессе осаждения контролировали с помощью лазера с распределенной обратной связью (DFB) с длиной волны 1550 нм. Как показано на рис. 3, до осаждения значение TOP составляет около -10 дБмВт. После 5 мин осаждения TOP резко снижается до -43 дБмВт. Затем через 14 мин TOP увеличивается до -35 дБмВт. TOP становится стабильным на уровне -37 дБм, что указывает на завершение осаждения.

Изменение TOP в MF при осаждении WSe ₂

Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) МЖ, покрытого WSe ₂ Нанолисты показаны на рис. 4. На рис. 4а показаны WSe ₂ Нанолисты осаждаются на МП диаметром ~ 9,5 мкм, увеличенное изображение которого показано на вставке к рис. 4а. Поперечный разрез МЖ с покрытием WSe ₂ нанолистов показан на рис. 4б. На вставке к рис. 4б видно, что толщина наплавленного WSe ₂ нанолистов составляет ~ 150 нм.

а СЭМ-изображение МЖ с покрытием WSe ₂ . б Поперечный разрез МЖ с покрытием WSe ₂ нанолисты

Для исследования поглощения света WSe ₂ пленка, световод в WSe ₂ МЖ с покрытием моделировали методом конечных элементов в среде COMSOL. В модели 150-нм WSe ₂ слой наматывается на МЖ размером ~ 9,5 мкм. Показатели преломления МП и WSe ₂ нанолиста составляют 1,46 и 2,64 + 0,2i [37] соответственно. Расчетное окно составляет 20 мкм × 20 мкм, размер ячейки - 50 нм. Длину волны фиксировали на уровне 1550 нм. Распределение модового поля МП и WSe ₂ -покрытые MF. На рис. 5а показано распределение 2D-мод на длине волны 1550 нм. Эффективный индекс режима в MF с WSe ₂ слой, соответствующий рис. 5а, равен 1.4567–2.04 × 10 ⁻³ i, обозначающий WSe ₂ Поглощение. Распределение радиального поля голого МП и WSe ₂ МЖ с покрытием вдоль белой пунктирной линии на рис. 5а изображена на рис. 5б. Радиальное распределение поля имеет такую ​​же максимальную интенсивность при ~ 0 мкм. На увеличенном изображении рис. 5b распределение поля WSe ₂ MF с покрытием показывает резкое изменение в результате неоднородности индекса.

а Двухмерное распределение поля моделируемой гидродинамической моды в WSe ₂ -покрытие MF. б Распределение радиального поля голого МП и WSe ₂ MF с покрытием, а на вставке - увеличенное изображение поля на поверхности MF

Полностью оптический контроль света в WSe ₂ МЖ с покрытием характеризуется с использованием экспериментальной установки, показанной на рис. 6. DFB-лазер с длиной волны 1550 нм (SOF – 155 – D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) подключается ко входу устройства, а выход контролируется с помощью измеритель оптической мощности. Для внешней накачки используются лазеры с длиной волны 405, 532 и 660 нм. МФ с покрытием WSe ₂ облучается лазерами, расположенными на высоте ~ 10 см над образцом. Во-первых, ТОП MF без WSe ₂ измеряется с помощью этой экспериментальной установки.

Экспериментальная установка для измерения ВЕРХ прибора при внешнем лазерном освещении

Результаты и обсуждение

На рис. 7a – c показано изменение относительной мощности для различных мощностей накачки лазеров с длиной волны 405, 532 и 660 нм соответственно. Как показано на рис. 7а, изменения TOP голого МП меньше 0,03 дБ при лазерном облучении с длиной волны 405 нм. Аналогичные результаты получены для лазеров с длиной волны 532 и 660 нм. Вариации TOP меньше 0,02 и 0,03 дБ для лазеров с длиной волны 532 и 660 нм соответственно.

ТОП изменений с разной мощностью насоса под a 405-нм лазер, b 532-нм лазер и c Освещение лазером 660 нм

Затем ВЕРХНИЙ МЖ покрыт WSe ₂ нанолистов измеряется при разной мощности накачки. Эксперименты проводятся при мощности лазера с длиной волны 405 нм (фиолетовый) (LSR405NL, Lasever Inc.) в диапазоне от 0 до 13,3 мВт. На рис. 8а показано изменение относительной мощности МП с покрытием WSe ₂ . нанолисты под воздействием лазерного излучения с длиной волны 405 нм. TOP увеличивается с мощностью насоса. Когда мощность накачки 405-нм лазера увеличивается от 0 до 13,3 мВт, изменение TOP составляет 4,2 дБ. Вариация TOP также составляет 4,2 дБ при уменьшении мощности лазера на 405 м с 13,3 до 0 мВт. Чтобы проанализировать взаимосвязь между TOP и мощностью лазера на длине волны 405 нм, извлекаются средние значения TOP для различных ступеней мощности накачки на рис. 8а. Изменение TOP в зависимости от мощности света накачки показано на рис. 8б. Чувствительность изменения TOP к мощности накачки определяется наклоном линейной аппроксимирующей кривой. Чувствительность 0,30 дБ / мВт достигается как для увеличения мощности фиолетового, так и для уменьшения мощности фиолетового, подтверждая, что полностью оптическое управление светом имеет хорошую воспроизводимость и стабильность. Полностью оптический контроль света МП с покрытием Wse ₂ Нанолисты анализируются с помощью лазеров с длиной волны 532 и 660 нм. На рисунке 8c показано изменение TOP при увеличении мощности лазера с длиной волны 532 нм (зеленый) от 0 до 13,3 мВт. ТОП меняется в зависимости от мощности зеленого лазера. Относительные изменения мощности составляют 3,2 дБ как для увеличения мощности накачки (от 0 до 13,3 мВт), так и для уменьшения мощности накачки (с 13,3 до 0 мВт). Изменение TOP для разной мощности света накачки показано на рис. 8d. Чувствительность составляет 0,23 дБ / мВт для процессов увеличения и уменьшения. Аналогичные результаты получены для лазерной накачки с длиной волны 660 нм (красный). Как показано на рис. 8e, TOP увеличивается на 2,9 дБ, когда мощность красного лазера увеличивается от 0 до 17,0 мВт, и изменение мощности такое же для процесса уменьшения. Чувствительность при освещении красным лазером, полученная из рис. 8f, составляет 0,16 дБ / мВт как для увеличения мощности накачки (от 0 до 17,0 мВт), так и при уменьшении мощности накачки (от 17,0 до 0 мВт). На рис. 8b, d и f для полностью оптической настройки линейность другая. Во время процесса увеличения мощности R ² значения составляют 0,907, 0,976 и 0,984 для фиолетового, зеленого и красного лазеров соответственно. R ² значения 0,915, 0,977 и 0,991 получены в процессе уменьшения мощности для фиолетового, зеленого и красного лазеров соответственно. Здесь фиолетовый лазер обеспечивает лучшую чувствительность, но линейность красного лазера лучше. Однако для полностью оптического управления светом в MoSe _2- МЖ с покрытием, свет с длиной волны 980 нм имеет лучшую линейность и чувствительность, чем свет с длиной волны 405 нм [17]. Следовательно, не существует последовательной взаимосвязи между линейностью и чувствительностью для разных устройств при разных лазерах накачки. Мы считаем, что линейность и чувствительность связаны с 2D-материалом, методом осаждения, структурой волокна и стабильностью света накачки.

а Вариация TOP при различной мощности лазера 405 нм. б Вариация TOP в зависимости от мощности света накачки 405 нм. c Вариация TOP при разной мощности лазера 532 нм. г Вариация TOP в зависимости от мощности света накачки на длине волны 532 нм. е Вариация TOP при различной мощности лазера 660 нм. е Вариация TOP в зависимости от мощности света накачки на длине волны 660 нм

Следует отметить, что температура МЖ с покрытием WSe ₂ изменяется при лазерном освещении. Температура регистрируется термопарой при изменении мощности насоса. На рис. 9а показано изменение температуры при различных мощностях накачки фиолетового цвета. Температура увеличивается с увеличением мощности насоса. Температура увеличивается с 21,6 до 28,1 ° C при увеличении мощности накачки фиолетового цвета от 0 до 13,3 мВт. При уменьшении мощности накачки фиолетового цвета с 13,3 до 0 мВт температура снижается с 28,1 до 22,0 ° C. Температурные колебания также отслеживаются для зеленого и красного лазеров накачки. Как показано на рис. 9b, увеличение и уменьшение мощности зеленого лазера в диапазоне от 0 до 13,3 мВт может вызвать изменения температуры на 6,7 ° C и 6,1 ° C соответственно. На рис. 9в показано изменение температуры при накачке красного лазера, имеющее ту же тенденцию изменения. Температура изменяется на 7,1 ° C и 7,0 ° C, когда мощность красного насоса изменяется от 0 до 17,0 мВт. График зависимости температуры от мощности накачки показан на рис. 10. Как показано на рис. 10а, линейная аппроксимация изменения температуры дает чувствительность 0,46 ° C / мВт и 0,44 ° C / мВт для увеличения и уменьшения мощности накачки фиолетового цвета. , соответственно. На рисунке 10b показаны значения температурной чувствительности, которые составляют 0,44 ° C / мВт и 0,41 ° C / мВт для увеличения и уменьшения мощности зеленого насоса соответственно. Для процесса увеличения и уменьшения мощности красной накачки измеренная чувствительность к температуре составляет 0,41 ° C / мВт. Результаты указывают на WSe ₂ могут рассматриваться как эффективные и компактные нагреватели для полностью оптического управления и термооптической настройки [38]. Чтобы исследовать влияние температуры окружающей среды на производительность устройства, МЖ с покрытием WSe ₂ Нанолисты помещаются на керамическую плитку (CHP – 250DF, AS ONE) для измерения TOP. Как показано на рис. 11a, колебания TOP меньше 0,03 дБ при изменении температуры камеры от 22 до 30 ° C. Результаты, подтверждающие, что это устройство нечувствительно к температуре окружающей среды. Как показано на рис. 11a, колебания TOP меньше 0,03 дБ при изменении температуры камеры от 22 до 30 ° C. Результаты, подтверждающие, что это устройство нечувствительно к температуре окружающей среды. Это устройство относительно стабильно, когда оно используется при высоких температурах для полностью оптической настройки. Как показано на рис. 11b, при медленном повышении температуры с 70 до 100 ° C колебания TOP меньше 0,55 дБ.

Температура МЖ с покрытием WSe ₂ нанолисты для разных a мощность фиолетового насоса, b мощность зеленого насоса и c мощность красного насоса

Температура как функция мощности накачки для a фиолетовый лазер, b зеленый лазер и c красный лазер

ВЕРХНИЙ МЖ покрыт WSe ₂ нанолисты под a разная температура окружающей среды и b высокая температура

Переходный отклик МП с покрытием WSe ₂ Нанолисты измеряются с помощью экспериментальной установки, показанной на рис. 12. Лазер с длиной волны 1550 нм подключается к входу МП. Выходы фиолетового, зеленого и красного лазеров модулируются генератором сигналов (AFG 3102, Tektronix). Выходной сигнал генератора сигналов представляет собой прямоугольную волну. Фотоприемник (модель 1811, New Focus) и осциллограф (DS1052E, RIGOL) используются для контроля выхода MF. На рис. 13 a – c показан отклик, измеренный осциллографом при фиолетовом, зеленом и красном лазерном освещении соответственно. Как показано на рис. 13а, мощность накачки фиолетового цвета составляет 16,8, 20,3 и 22,8 мВт для измерения времени отклика. Измеренные время нарастания и спада для фиолетового лазера составили 17,9 и 18,4 мс соответственно. Для зеленого лазерного излучения мощности накачки составляют 8,3, 13,7 и 20,0 мВт, как показано на рис. 13b. Измеренные время нарастания и спада для зеленого лазера составили 15,3 и 16,9 мс соответственно. Как показано на рис. 13c, при красном лазерном освещении с мощностью накачки 10,7, 16,8 и 20,5 мВт время нарастания и спада составляет 16,9 и 18,3 мс соответственно.

Экспериментальная установка для измерения переходной характеристики

Время отклика МП с покрытием WSe ₂ нанолисты с длиной волны света накачки а фиолетовое лазерное излучение, b зеленое лазерное освещение и c красная лазерная подсветка

Чувствительность настройки TOP разная для фиолетового, зеленого и красного лазеров накачки. Это связано с тем, что поглощение намного сильнее на более коротких длинах волн, как показано на рис. 1b. Полностью оптический контроль TOP достигается за счет комбинации термооптического эффекта и генерируемых фотонами носителей в MF с WSe ₂ . Взаимодействие между внешним светом накачки и WSe ₂ вызывает эффективное изменение индекса WSe ₂ . WSe ₂ нанолисты поглощают лазерный свет накачки. Температура МП с WSe ₂ увеличивается с увеличением мощности накачки, как показано на рис. 9 и 10. Действительная часть показателя преломления ( n _r ) WSe ₂ уменьшается, когда температура МП с WSe ₂ увеличивается [39]. n _r также уменьшается из-за увеличения концентрации носителей, что связано с проводимостью WSe ₂ нанолисты [40]. В результате эффективный показатель преломления ( n _eff ) управляемых мод в МП с покрытием WSe ₂ варьируется внешним лазерным освещением. Генерируемые фотонами носители также приводят к изменению индекса WSe ₂ и изменение n _eff [38]. Следовательно, ТОП может быть изменен с помощью лазеров внешней накачки. С помощью метода конечных элементов выполняется моделирование для исследования механизмов настройки TOP. Как показано на рис. 14а, действительная часть n _eff увеличивается с n _r . Реальная часть n _eff увеличивается с 1.4559 до 1.4567 с n _r варьируется от 2,44 до 2,64 [41, 42]. Распределение электрического поля в режиме с n _эфф 1.4559 показано на вставке к рис. 14а. Вариант n _r обеспечивает различные режимы распределения электрического поля. Интегрируя распределение электрического поля по всему сечению, вычисляется выходная электрическая энергия. Как показано на рис. 14b, выходная электрическая энергия уменьшается на n _r от 2,44 до 2,64 при коэффициенте 1,76 × 10 ⁷ Вт / м. ² Следовательно, выходная мощность увеличивается с увеличением мощности внешней накачки. Результаты моделирования хорошо согласуются с результатами экспериментов. Чтобы исследовать влияние WSe ₂ количество слоев на производительность устройства, моделирование проводилось методом конечных элементов в COMSOL. Толщина четырехслойного WSe ₂ нанолист составляет 2,8 нм, а соответствующий показатель преломления WSe ₂ составляет 3,7 + 0,2i [43]. Линейная аппроксимация действительной части n _eff по сравнению с n _r показан на рис. 15а. Реальная часть n _eff увеличивается с n _r при изменении от 3,50 до 3,70. Распределение электрического поля моды для n _eff 1.4550619 показан на вставке к фиг. 15а, которая имеет круговую симметрию. Для сравнения, распределение электрического поля в моде на рис. 14а асимметрично, поскольку свет поглощается 150-нм WSe ₂ нанолист. Выходная электрическая энергия уменьшается, когда n _r увеличивается с 3,50 до 3,70 со скоростью 1,41 × 10 ⁴ Вт / м ² , как показано на рис. 15b. Скорость изменения выходной электрической энергии 150 нм WSe ₂ нанолист намного больше, чем у 2,8-нм WSe ₂ нанолист, обозначающий толщину WSe ₂ нанолист обеспечивает лучшую производительность для полностью оптической настройки.

а Реальная часть режима n _eff как функция от n _r для 150-нм WSe ₂ нанолист. На вставке - распределение электрического поля моды с n _eff из 1.4559. б Зависимость выходной электрической энергии от n _r для 150-нм WSe ₂ нанолист

а Реальная часть режима n _eff по сравнению с n _r для четырехслойного WSe ₂ нанолист. На вставке - распределение электрического поля моды с n _eff из 1.4550619. б Зависимость выходной электрической энергии от n _r для четырехслойного WSe ₂ нанолист

Для расчета выходной мощности МП, наложенного на WSe ₂ . Схема конфигурации устройства для расчета выходной мощности представлена ​​на рис. 16а. В модели толщина WSe ₂ Для слоя, диаметр МП и показатель преломления МП были установлены равными 150 нм, 9,5 мкм и 1,46 соответственно. Для качественного расчета длина МП установлена ​​равной 10 мкм. x , y и z Направления имеют разрешение сетки 10 нм. Распределение электрического поля в x - z плоский разрез в поперечном сечении по y =0 мкм показано на рис. 16б. Расчетная передача показана на рис. 17. Как показано на рис. 17а, передача МП уменьшается с n _r , и тенденция изменения согласуется с результатами, полученными с помощью COMSOL. Потери составляют 10,80 и 10,94 дБ / мм для n _r =2,44 и n _r =2,64 соответственно. Затем было рассчитано пропускание МП для длин волн от 1530 до 1570 нм с показателем преломления WSe ₂ Нанолист зафиксирован на 2,64 + 0,2i. Как показано на рисунке 17b, пропускание уменьшается с увеличением длины волны. Потери варьировались от 10,58 до 10,85 дБ / мм при изменении длины волны от 1530 до 1570 нм.

а Схема конфигурации устройства для расчета с 3D FDTD. б Распределение электрического поля в x - z плоское поперечное сечение

Расчетная передача как функция от a нет _r и b длина волны

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.

Выводы

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.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

2D:

Двумерный

DFB:

Distributed feedback laser; SEM

Сканирующая электронная микроскопия

MF:

Microfiber

MKR:

Microfiber knot resonator

n _eff :

Effective refractive index

n _r :

Refractive index

SPF:

Side-polished fiber

TMD:

Дихалькогениды переходных металлов

TOP:

Transmitted optical power