Точный полностью оптический контроль передачи света в микроволокнах с покрытием WSe₂

Аннотация

Диселенид вольфрама (WSe₂) привлёк значительный интерес благодаря универсальным приложениям: p-n переходы, транзисторы, волоконные лазеры, спинтроника, преобразование солнечной энергии в электричество. Мы демонстрируем полностью оптическую настройку света в микроволокне (MF), покрытом WSe₂, используя широкую полосу поглощения WSe₂ и термооптический эффект. Передаваемая оптическая мощность (TOP) может быть настроена внешними насосящими лазерами (405, 532 и 660 нм). Чувствительность под 405-нм насосом составляет 0,30 дБ/мВт. Время нарастания/спада ~15,3/16,9 мс достигается под 532-нм насосом. Теоретические симуляции выполнены для исследования механизма настройки TOP. Преимущества устройства: лёгкая фабрикация, полностью оптический контроль, высокая чувствительность, быстрый отклик. Предложенное полностью оптическое настраиваемое устройство имеет потенциал в полностью оптических схемах, модуляторах и многомерно настраиваемых оптических устройствах.

Введение

Оптоэлектроника, фотоника и микроэлектроника незаменимы в современных телекоммуникационных системах. Фотонные устройства из микро- или наномасштабных оптических компонентов разрабатываются для миниатюризации, быстрого отклика и высокой чувствительности [1]. Настраиваемые полностью оптические устройства применяются в оптической связи и обработке сигналов. Свет-контроль-свет в волокне изучался, но повышение производительности — особенно чувствительности TOP и времени отклика — остаётся вызовом. Один из путей — использование двумерных (2D) дихалькогенидов переходных металлов (TMD), широко применяемых в датчиках [2], оптоэлектронных устройствах [3], транзисторах [4], насыщаемых поглотителях [5] и памяти [6]. Полностью оптическая модуляция реализована с графен-декорированными MF [7], графен-покрытыми MF [8] и стерео графен-MF структурами [9]. Настройка MF устройств достигалась соединением MF с жидкими кристаллами [10], ниобатом лития [11] и полимерами [12]. Полностью оптический настраиваемый микроволоконный узловой резонатор (MKR), покрытый графеном сверху и снизу, реализован [13]. Покрытие гладкой без потерь поверхности MF различными 2D материалами даёт функциональность свет-контроль-свет MF и MF резонатора. Полностью оптический контроль света в WS₂-покрытом MKR сообщён с вариацией переданной мощности ~0,4 дБ/мВт под фиолетовым насосом и временем отклика ~0,1 с [14]. SnS₂-покрытый MKR дал ~0,22 дБ/мВт и ~3,2 мс [15]. Редоксированный графеновый оксид на MF дал ~0,21 дБ/мВт [16]. MoSe₂-покрытый MF показал ~0,165 дБ/мВт под фиолетовым насосом и время нарастания ~0,6 с [17]. Чувствительность TOP и время отклика — ключевые свойства MF устройств. Для приложений вроде полностью оптической настройки и модуляции требуются улучшения этих параметров.

Как типичный представитель TMD, WSe₂ привлёк большой исследовательский интерес и является потенциально важным строительным блоком для электроники и оптоэлектроники. WSe₂ обладает высоким Себеккоэффициентом, ультранизкой теплопроводностью и амбиполярностью, делая его привлекательным для гибкой электроники [18,19]. Электрическая настройка p-n переходов достигнута на базе амбиполярности WSe₂ [20]. Электрический контроль второй гармоники в монослое WSe₂ транзисторе сообщён через сильные эффекты зарядки экзитонов [21]. WSe₂ имеет большой коэффициент поглощения в видимом и ближнем ИК, используемый для преобразования солнечной энергии [22]. По сравнению с сульфидом, селенид стабильнее и устойчивее к окислению в окружающей среде [23]. Кроме того, WSe₂ даёт высокую внутреннюю дырочную подвижность 500 см²/В·с, намного выше MoS₂ [24]. Используя это, сообщены высокоподвижные p- и n-канальные полевые транзисторы на монослое WSe₂ [25]. Монослой WSe₂ показывает прямую запрещённую зону с сильной фотолюминесценцией [26]. Нелинейные насыщаемые поглощения WSe₂ применялись как насыщаемые поглотители в волоконных лазерах [27]. WSe₂ показывает большой потенциал для полностью оптического контроля света в WSe₂-базированных волоконных устройствах.

Оптические MF — это конусные сужения оптического волокна диаметром несколько–свыше 10 мкм. MF изготавливают простым пламенным нагревом и вытягиванием волокна под теплом. В результате формируется биконусный конус, предоставляющий платформу для взаимодействия направляемого света с окружением и соединения с другими волоконными компонентами [28]. Профиль MF можно тонко настраивать под разные приложения через контроль скорости и времени вытягивания. MF обладает преимуществами: большие эванесцентные поля, конфигурируемость, низкие оптические потери, тесное оптическое конфинмент, выдающаяся механическая гибкость [29]. Тесное конфинмент MF даёт перспективный подход к компактным оптическим схемам и низкопороговым нелинейным эффектам. Сильное и быстрое взаимодействие направляемого света с окружением достигается на базе сильных эванесцентных полей MF. Это свойство эксплуатировалось для оптического 센сирования в разных конфигурациях: решётки на MF [30], поверхностно-функционализированные MF [31], Мах-Цендеровские интерферометры [32,33]. Сильное свет-вещество взаимодействие MF также применяли для реализации полностью оптического модулятора, ультрабыстрых волоконных лазеров [34,35] и настройки/свет-контроль-свет функциональности.

В данной работе мы используем широкую полосу поглощения и термооптический эффект WSe₂ для реализации полностью оптической настройки света в WSe₂-покрытом MF. Для реализации полностью оптического контроля внешний насосный свет длиной волны 405, 532 и 660 нм используется для облучения MF. За счёт взаимодействия внешнего насоса с WSe₂ реализуется изменение эффективного показателя преломления и последующая вариация выходной мощности. Измеренная чувствительность TOP составляет 0,30 дБ/мВт под 405-нм насосом. Исследуются температурные изменения и отклик устройства, индуцируемые внешним насосным лазером. Теоретические симуляции выполнены для верификации механизма настройки TOP.

Методы

Концентрация WSe₂ дисперсии была 1 мг/мл, получена методом жидкофазной эксфолиации. Для получения равномерно распределённых нанолистов WSe₂ проводили ультразвуковую обработку ~30 мин. Для характеристики WSe₂ нанолистов измеряли Рамановский и UV-Vis абсорбционный спектры. Рамановский спектр WSe₂ нанолистов, возбуждённый 488-нм лазером, показан на Рис. 1a. WSe₂ нанолисты демонстрируют только одну сильную вибрационную моду около 252,2 см⁻¹, являющуюся результатом вырождения E₂g и A₁g мод. Дополнительный Рамановский пик появится при 5-11 см⁻¹, когда WSe₂ хлопьи тоньше четырёх слоёв [36]. Абсорбционный спектр WSe₂ нанолистов, измеренный UV-Vis спектрофотометром (UV-2600, SHIMADZU), показан на Рис. 1b. В диапазоне 300-700 нм WSe₂ нанолисты имеют поглощение. От 400 до 700 нм поглощение убывает с длиной волны. Поглощение на трёх длинах волн 405, 532 и 660 нм сравнено, как показано на Рис. 1b.

MF изготавливали «пламенным щётчением» (flame-brushing). MF получали вытягиванием стандартного одномодового волокна Corning Inc. со скоростью ~0,2 мм/с, нагреваемым пламенем. Для реализации полностью оптического контроля требуется подходящая талия MF. Меньшая талия даёт более сильное взаимодействие света с WSe₂, но TOP может быть слишком слабым для детекции из-за больших потерь. Рис. 2a показывает изготовленную MF с диаметром ~9,5 мкм в однородной талии. Вставка на Рис. 2a — микроскопическое изображение MF с запущенным 650-нм лазером на входе. Диаметр MF измеряли оптическим микроскопом (Zeiss Axio Scope A1). Как показано на Рис. 2b, талия MF имеет длину ~6 мм и диаметр ~9,5 мкм. Общая длина MF ~25 мм.

Следующий этап — осаждение WSe₂ нанолистов на MF. Перед осаждением MF фиксировали на стеклянной ванночке (20×5×1 мм) из стекла и UV клея (Loctite 352, Henkel). Затем WSe₂ дисперсию капали на MF пипеткой. TOP MF в процессе осаждения мониторили 1550-нм DFB лазером. Как показано на Рис. 3, до осаждения TOP около −10 дБм. Через 5 мин осаждения TOP резко падает до −43 дБм. Затем TOP поднимается до −35 дБм через 14 мин. TOP стабилизируется на −37 дБм, указывая на завершение осаждения.

SEM изображение MF с покрытием WSe₂ нанолистов показано на Рис. 4. Рис. 4a показывает WSe₂ нанолисты, выпавшие на MF диаметром ~9,5 мкм, увеличенное изображение во вставке. Поперечный срез MF с WSe₂ показан на Рис. 4b. Вставка показывает толщину осаждённых WSe₂ нанолистов ~150 нм.

Для исследования поглощения света WSe₂ пленкой, световодство в WSe₂-покрытом MF симулировали методом конечных элементов в COMSOL. В модели 150-нм слой WSe₂ обмотан вокруг ~9,5 мкм MF. Показатели преломления MF и WSe₂ нанолиста 1,46 и 2,64+0,2i [37] соответственно. Окно расчёта 20×20 мкм, размер сетки 50 нм. Длина волны фиксирована 1550 нм. Рассчитаны распределения модового поля MF и WSe₂-покрытого MF. Рис. 5a показывает 2D модовое распределение при 1550 нм. Эффективный показатель моды в MF со слоем WSe₂, соответствующий Рис. 5a, равен 1,4567–2,04×10⁻³ i, указывая на поглощение WSe₂. Радиальное распределение поля голого MF и WSe₂-покрытого MF вдоль белой пунктирной линии Рис. 5a построено на Рис. 5b. Пиковые интенсивности совпадают при ~0 мкм. В увеличенном фрагменте Рис. 5b распределение поля WSe₂-покрытого MF показывает резкое изменение из-за разрыва индекса.

Экспериментальная установка для характеристики полностью оптического контроля света в WSe₂-покрытом MF показана на Рис. 6. 1550-нм DFB лазер (SOF-155-D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) подключён к входу устройства, выход мониторится оптическим измерителем мощности. 405-, 532- и 660-нм лазеры используются для внешнего насоса. MF с WSe₂ облучают лазерами, размещёнными ~10 см над образцом. Сначала измеряют TOP MF без WSe₂ данной установкой.

Результаты и обсуждение

Рис. 7a-c показывает относительные вариации мощности для различных насосных мощностей 405-, 532- и 660-нм лазеров соответственно. Как видно на Рис. 7a, изменения TOP голого MF меньше 0,03 дБ под 405-нм лазером. Аналогичные результаты для 532- и 660-нм: вариации меньше 0,02 и 0,03 дБ соответственно.

Затем измеряли TOP MF с WSe₂ нанолистами под разными насосными мощностями. Эксперименты с 405-нм (фиолетовым) лазером (LSR405NL, Lasever Inc.) мощностью 0-13,3 мВт. Рис. 8a показывает относительную вариацию мощности MF с WSe₂ под 405-нм облучением. TOP растёт с насосной мощностью. Когда 405-нм мощность увеличивается от 0 до 13,3 мВт, вариация TOP составляет 4,2 дБ. При уменьшении мощности с 13,3 до 0 мВт вариация тоже 4,2 дБ. Для анализа связи TOP и 405-нм мощности средние значения TOP для разных ступеней мощности из Рис. 8a извлечены. Изменение TOP с насосной мощностью на Рис. 8b. Чувствительность вариации TOP к насосной мощности определяется наклоном линейной аппроксимации. Чувствительность 0,30 дБ/мВт получена для обоих возрастающего и убывающего фиолетового питания, подтверждая хорошую повторяемость и стабильность полностью оптического контроля. Анализ полностью оптического контроля MF с WSe₂ нанолистами проводили с 532- и 660-нм лазерами. Рис. 8c показывает вариацию TOP когда 532-нм (зелёный) лазерная мощность растёт от 0 до 13,3 мВт. TOP меняется с зелёным питанием. Относительные вариации 3,2 дБ для обоих процессов увеличения и уменьшения. Зависимость TOP от насосной мощности на Рис. 8d. Чувствительности 0,23 дБ/мВт для обоих процессов. Аналогичные результаты для 660-нм (красного) лазера. Рис. 8e: TOP увеличивается на 2,9 дБ когда красная мощность растёт от 0 до 17,0 мВт, изменение такое же для уменьшения. Чувствительности под красным излучением из Рис. 8f — 0,16 дБ/мВт для обоих процессов. На Рис. 8b, d, f линейность разная для всех трёх лазеров. В процессе увеличения мощности R² значения 0,907, 0,976, 0,984 для фиолетового, зелёного и красного соответственно. В процессе уменьшения: 0,915, 0,977, 0,991. Фиолетовый лазер даёт лучшую чувствительность, но линейность красного лучше. Однако для полностью оптического контроля в MoSe₂-покрытом MF 980-нм свет имеет лучшую линейность и чувствительность чем 405-нм [17]. Следовательно, нет постоянной связи между линейностью и чувствительностью для разных устройств под разными насосами. Мы считаем, что линейность и чувствительность зависят от 2D материала, метода осаждения, структуры волокна и стабильности насоса.

Температура MF с WSe₂ меняется под лазерным облучением. Температура записывалась термопарой при изменении насосной мощности. Рис. 9a показывает изменение температуры для различных фиолетовых насосных мощностей. Температура растёт с насосной мощностью. От 21,6 до 28,1 °C когда фиолетовая мощность увеличивается 0-13,3 мВт. При уменьшении с 13,3 до 0 мВт температура падает с 28,1 до 22,0 °C. Температурные вариации также мониторили для зелёного и красного насосов. Рис. 9b: увеличение и уменьшение зелёной мощности 0-13,3 мВт индуцируют 6,7 °C и 6,1 °C вариации. Рис. 9c: под красным насосом тот же тренд. Температура меняется на 7,1 °C и 7,0 °C когда красная мощность варирует 0-17,0 мВт. Температура как функция насосной мощности на Рис. 10. Рис. 10a: линейная аппроксимация даёт чувствительности 0,46 °C/мВт и 0,44 °C/мВт для увеличения и уменьшения фиолетовой мощности. Рис. 10b: 0,44 и 0,41 °C/мВт для зелёного. Для красного: 0,41 °C/мВт для обоих процессов. Результаты указывают, что WSe₂ можно рассматривать как эффективные компактные нагреватели для полностью оптического контроля и термооптической настройки [38]. Для исследования влияния температуры окружения на производительность устройства, MF с WSe₂ поместили на керамическую горячую пластину (CHP-250DF, AS ONE) для измерения TOP. Рис. 11a: вариации TOP меньше 0,03 дБ при изменении температуры камеры 22-30 °C. Результаты подтверждают нечувствительность устройства к температуре окружения. Устройство относительно стабильно при высоких температурах для полностью оптической настройки. Рис. 11b: при медленном повышении температуры 70-100 °C вариации TOP меньше 0,55 дБ.

Переходный отклик MF с WSe₂ нанолистами измеряли установкой на Рис. 12. 1550-нм лазер подключён к входу MF. Выходы фиолетового, зелёного и красного лазеров модулируются генератором сигналов (AFG 3102, Tektronix). Выход генератора — прямоугольная волна. Фотодетектор (Model 1811, New Focus) и осциллограф (DS1052E, RIGOL) мониторят выход MF. Рис. 13a-c показывает отклик на осциллографе под фиолетовым, зелёным и красным облучением. Рис. 13a: фиолетовые насосные мощности 16,8, 20,3, 22,8 мВт для измерения времени отклика. Время нарастания и спада 17,9 и 18,4 мс для фиолетового. Рис. 13b: зелёные насосные мощности 8,3, 13,7, 20,0 мВт. Время нарастания и спада 15,3 и 16,9 мс для зелёного. Рис. 13c: под красным с 10,7, 16,8, 20,5 мВт — 16,9 и 18,3 мс соответственно.

Чувствительность настройки TOP различается для фиолетового, зелёного и красного насосов. Это потому, что поглощение намного сильнее на более коротких длинах волн, как показано на Рис. 1b. Полностью оптический контроль TOP обусловлен комбинацией термооптического эффекта и фотогенерированных носителей в MF с WSe₂. Взаимодействие внешнего насоса с WSe₂ индуцирует изменение эффективного показателя преломления WSe₂. WSe₂ нанолисты поглощают насосный лазер. Температура MF с WSe₂ растёт с насосной мощностью (Рис. 9, 10). Реальная часть показателя преломления (n_r) WSe₂ уменьшается при повышении температуры MF с WSe₂ [39]. n_r также уменьшается из-за роста концентрации носителей, связанного с проводимостью WSe₂ нанолистов [40]. В результате эффективный показатель преломления (n_eff) направляемых мод в MF с WSe₂ варьируется внешним лазерным облучением. Фотогенерированные носители также ведут к изменению индекса WSe₂ и изменению n_eff [38]. Поэтому TOP меняется с внешними насосными лазерами. Методом конечных элементов симуляции выполнены для исследования механизмов настройки TOP. Рис. 14a: реальная часть n_eff растёт с n_r. Реальная часть n_eff увеличивается с 1,4559 до 1,4567 при n_r 2,44-2,64 [41,42]. Электрическое поле моды с n_eff 1,4559 показано во вставке Рис. 14a. Вариация n_r даёт разные модовые распределения поля. Интегрируя поле по всему поперечному сечению, вычисляют выходную электрическую энергию. Рис. 14b: выходная электрическая энергия убывает с n_r 2,44-2,64 со скоростью 1,76×10⁷ Вт/м². Следовательно, выходная мощность растёт с внешней насосной мощностью. Результаты симуляции хорошо согласуются с экспериментом. Для исследования влияния числа слоёв WSe₂ на производительность, симуляции выполнены в COMSOL. Толщина четырёхслойного WSe₂ нанолиста 2,8 нм, соответствующий показатель преломления 3,7+0,2i [43]. Линейная аппроксимация реальной части n_eff vs n_r на Рис. 15a. Реальная часть n_eff растёт с n_r при изменении 3,50-3,70. Электрическое поле моды для n_eff 1,4550619 показано во вставке Рис. 15a — круговое симметричное. В сравнении, распределение поля на Рис. 14a асимметрично, так как свет поглощается 150-нм WSe₂ нанолистом. Выходная электрическая энергия убывает когда n_r растёт 3,50-3,70 со скоростью 1,41×10⁴ Вт/м², как на Рис. 15b. Вариация выходной энергии 150 нм WSe₂ намного больше чем 2,8 нм WSe₂, указывая, что толстый WSe₂ нанолист даёт лучшую производительность для полностью оптической настройки.

3D FDTD (Lumerical FDTD Solution) использовали для расчёта выходной мощности MF с наложенным WSe₂. Схема конфигурации устройства для расчёта выходной мощности на Рис. 16a. В модели толщина WSe₂ слоя, диаметр MF и показатель преломления MF установлены 150 нм, 9,5 мкм и 1,46. Длина MF 10 мкм для качественного расчёта. Сеточное разрешение по x,y,z 10 нм. Электрическое поле в x-z плоскости при y=0 мкм на Рис. 16b. Рассчитанная передача на Рис. 17. Рис. 17a: передача MF убывает с n_r, тренд согласуется с COMSOL. Потери 10,80 и 10,94 дБ/мм для n_r=2,44 и 2,64. Затем передача MF для длин волн 1530-1570 нм рассчитана с фиксированным показателем WSe₂ 2,64+0,2i. Рис. 17b: передача убывает с длиной волны. Потери варьируются 10,58-10,85 дБ/мм при изменении длины волны 1530-1570 нм.

Производительность свет-контроль-свет устройств сравнена по чувствительности TOP и времени отклика при разных длинах волн насоса, как в Таблице 1. Продемонстрированная здесь структура полностью оптического контроля имеет более высокую чувствительность по сравнению с MF, MKR и боковошлифованным волокном (SPF) в комбинации с различными материалами. MF с WSe₂ имеет более быстрый отклик чем полностью оптические настройки вроде MKR с WS₂, MF с MoSe₂, SPF с жидкими кристаллами и MF с WS₂. Разные факторы вносят вклад в более высокую чувствительность TOP и более быстрое время отклика MF с WSe₂. Во-первых, WSe₂ обеспечивает широкую полосу поглощения в видимом и термооптический эффект для полностью оптической настройки. Во-вторых, структура MF оптимизирована для усиления свет-вещество взаимодействия. В-третьих, метод покрытия WSe₂ нанолистами позволяет точное управление толщиной и равномерное осаждение.

Заключение

Мы изготовили и продемонстрировали полностью оптическую настройку света в WSe₂-покрытом MF на базе взаимодействия внешнего насосного света с WSe₂. Через внешнее облучение насосным светом (405, 532, 660 нм), широкая полоса поглощения WSe₂ и термооптический эффект обещают эффективное изменение индекса и последующую вариацию выходной мощности. Чувствительность 0,30 дБ/мВт и время спада 15,3 мс достигнуты. Механизм настройки TOP исследован симуляциями. Производительность MF с WSe₂ (чувствительность TOP, время отклика) может быть дополнительно улучшена использованием монослойной тонкой пленки, современных нанофабрикационных методов и оптимизированных размеров MF. Работа ожидается способствовать реалистичным приложениям WSe₂ в полностью оптических модуляторах, многомерно настраиваемых оптических устройствах и др.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

2D:

Двумерный

DFB:

Распределённая обратная связь лазер; SEM — Растровый электронный микроскоп

MF:

Микроволокно

MKR:

Микроволоконный узловой резонатор

n_eff:

Эффективный показатель преломления

n_r:

Показатель преломления

SPF:

Боковошлифованное волокно

TMDs:

Дихалькогениды переходных металлов

TOP:

Передаваемая оптическая мощность