Volloptische Lichtabstimmung in WSe2-beschichteter Mikrofaser

Einführung

Optoelektronik, Photonik und Mikroelektronik sind in modernen Telekommunikationssystemen wichtig und unverzichtbar. Photonische Bauelemente, die aus optischen Komponenten im Mikro- oder Nanometerbereich bestehen, werden entwickelt, um eine miniaturisierte Struktur, schnelle Reaktion und hohe Empfindlichkeit zu erreichen [1]. Abstimmbare volloptische Geräte können in der optischen Kommunikation und Signalverarbeitung eingesetzt werden. Es wurde über Lichtsteuerlicht in Glasfasern berichtet, aber es bleibt eine Herausforderung, die Leistung zu verbessern, insbesondere die Empfindlichkeit der übertragenen optischen Leistung (TOP) und die Reaktionszeit. Eine der guten Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistung ist die Verwendung der zweidimensionalen (2D) Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs), die in den Anwendungen von Sensoren [2], optoelektronischen Geräten [3], Transistoren [4], sättigbare Absorber [5] und Speichervorrichtungen [6]. Die rein optische Modulation wurde mit Graphen-dekorierten Mikrofasern (MF) [7], Graphen-bedeckten MF [8] und Stereo-Graphen-MF-Strukturen [9] realisiert. Die Abstimmung von MF-Geräten wurde erreicht, wenn der MF mit verschiedenen Materialien wie Flüssigkristall [10], Lithiumniobat [11] und Polymer [12] verbunden ist. Ein rein optischer abstimmbarer Mikrofaser-Knoten-Resonator (MKR), dessen Ober- und Unterseite mit Graphen bedeckt sind, wurde realisiert [13]. Das Beschichten der glatten und verlustfreien Oberfläche des MF mit verschiedenen 2D-Materialien ermöglicht die Lichtsteuerungs-Lichtfunktion von MF und MF-Resonator. Volloptische Lichtsteuerung in WS₂ -beschichteter MKR wurde mit einer Sendeleistungsänderungsrate von ~ 0,4 dB/mW unter Violettpumpe und einer Reaktionszeit von ~ 0,1 s berichtet [14]. Volloptische Lichtlenkungs-Lichtfunktionalität von MKR beschichtet mit SnS₂ wurde auch realisiert; die TOP-Variationsrate in Bezug auf das violette Licht beträgt ~ 0,22 dB/mW und die Reaktionszeit beträgt nur ~ 3,2 ms [15]. Die Oberseite des mit reduziertem Graphenoxid umhüllten MF wurde durch das violette Pumplicht mit einer Variationsrate von ~ 0,21 dB/mW manipuliert [16]. Alle Lichtsteuerungs-Lichteigenschaften von MoSe₂ -beschichtete MF wurden ebenfalls untersucht; die TOP-Empfindlichkeit beträgt ~ 0,165 dB/mW unter violettem Pumplicht und die Anstiegszeit des Einschwingverhaltens beträgt ~ 0.6 s [17]. Die TOP-Empfindlichkeit und Reaktionszeit sind wichtige Eigenschaften der MF-Geräte. Für Anwendungen wie rein optisches Tuning und optische Modulation sind Verbesserungen der TOP-Empfindlichkeit und Reaktionszeit erforderlich.

Als typisches Beispiel für TMDs-Materialien ist Wolframdiselenid (WSe₂ ) stößt auf großes Forschungsinteresse und ist potenziell wichtige Bausteine ​​für die Elektronik und Optoelektronik. WSe₂ hat einen hohen Seebeck-Koeffizienten, eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit und Ambipolarität, was es zu einem attraktiven Kandidaten für flexible Elektronik macht [18, 19]. Zum Beispiel wurde die elektrische Abstimmung von p-n-Übergängen basierend auf der Ambipolarität von WSe₂ . erreicht [20]. Elektrische Steuerung der Erzeugung zweiter Harmonischer in einem WSe₂ Es wurde berichtet, dass ein einschichtiger Transistor starke Exzitonen-Ladungseffekte in WSe₂ . verwendet [21]. WSe₂ hat einen großen Absorptionskoeffizienten im sichtbaren und nahen Infrarotbereich, der bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität ausgenutzt wurde [22]. Im Vergleich zum Sulfid ist das Selenid unter Umgebungsbedingungen stabiler und oxidationsbeständiger [23]. Außerdem WSe₂ bietet eine hohe intrinsische Lochbeweglichkeit von 500 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , die viel höher ist als die von MoS₂ [24]. Verwenden dieser Eigenschaft von WSe₂ , wurden hochbewegliche p- und n-Typ-Feldeffekttransistoren mit Monolayer WSe₂ . berichtet [25]. Die Monoschicht WSe₂ zeigt eine direkte Bandlücke mit starker Photolumineszenz [26]. Die nichtlinearen sättigbaren Absorptionseigenschaften von WSe₂ wurden als sättigbare Absorber in Faserlasern eingesetzt [27]. Die WSe₂ zeigt großes Potenzial für die rein optische Lichtsteuerung in WSe₂ -basierte Glasfasergeräte.

Die optischen MFs sind Lichtwellenleiter-Taper mit einem Durchmesser von einigen bis über 10 µm. Der MF wird durch einfaches flammbeheiztes Taper-Ziehen der Faser unter Hitze hergestellt. Als Ergebnis wird der bikonische Konus gebildet, der eine Plattform für die Interaktion zwischen dem geführten Licht und der Umgebung und die Verbindung mit anderen faserförmigen Komponenten darstellt [28]. Das MF-Profil kann durch die Steuerung der Ziehgeschwindigkeit und -zeit im Herstellungsprozess fein abgestimmt auf unterschiedliche Anwendungen abgestimmt werden. Der MF hat die Vorteile großer evaneszenter Felder, Konfigurierbarkeit, geringer optischer Verluste, enger optischer Begrenzung und hervorragender mechanischer Flexibilität [29]. Die enge optische Begrenzung von MF bietet einen vielversprechenden Ansatz für optische Schaltkreise mit kleinem Footprint und einen niederschwelligen optischen nichtlinearen Effekt. Basierend auf starken evaneszenten Feldern von MF kann eine starke und schnelle Wechselwirkung zwischen dem geführten Licht und der Umgebung erhalten werden. Diese Eigenschaft von MF wurde für die optische Sensorik mit verschiedenen Konfigurationen ausgenutzt, wie zum Beispiel auf MF eingeschriebenen Fasergittern [30], oberflächenfunktionalisiertem MF [31] und Mach-Zehnder-Interferometer [32, 33]. Die starke Licht-Materie-Wechselwirkung, die durch MF bereitgestellt wird, wurde auch angewendet, um einen rein optischen Modulator, ultraschnelle Faserlaser [34, 35] und eine Tuning- und Lichtsteuerungs-Lichtfunktionalität zu realisieren.

In diesem Papier verwenden wir die breite Absorptionsbandbreite und den thermooptischen Effekt von WSe₂ um eine rein optische Lichtabstimmung in WSe₂ zu erreichen beschichtete MF. Um eine rein optische Abstimmung zu realisieren, wird das externe Pumplicht mit Wellenlängen von 405, 532 und 660  nm verwendet, um den MF zu bestrahlen. Durch die Interaktion zwischen dem externen Pumplicht und WSe₂ , wird eine effektive Indexänderung realisiert und induziert anschließend eine Variation der Ausgangsleistung. Die gemessene TOP-Empfindlichkeit beträgt 0,30 dB/mW bei 405-nm-Pumplichtanregung. Die durch einen externen Pumplaser induzierte Temperaturänderung und das Ansprechverhalten des Geräts werden untersucht. Theoretische Simulationen werden durchgeführt, um den Abstimmungsmechanismus von TOP zu überprüfen.

Methoden

Die Konzentration von WSe₂ Dispersionen betrug 1 µg/ml, die durch ein flüssiges Exfoliationsverfahren erhalten wurden. Um WSe₂ zu erhalten Nanoblätter mit gleichmäßiger Verteilung, Ultraschallbehandlung des WSe₂ Dispergierungen für ~ 30 min durchgeführt. Um die WSe₂ . zu charakterisieren Nanoblätter, Raman- und UV-VIS-Absorptionsspektrum wurden gemessen. Das Raman-Spektrum von WSe₂ von einem 488-nm-Laser angeregte Nanoblätter sind in Abb. 1a dargestellt. Die WSe₂ Nanoblätter zeigen nur einen starken Schwingungsmodus um 252,2 cm ^–1 , die ein Ergebnis der Entartung des E_2g . ist und A_1g Modi. Ein zusätzlicher Raman-Peak erscheint bei 5–11 cm ⁻¹ wenn die WSe₂ Flocken sind dünner als vier Schichten [36]. Das Absorptionsspektrum von WSe₂ Nanoblätter, die mit einem UV-VIS-Spektrophotometer (UV-2600, SHIMADZU) gemessen wurden, sind in Abb. 1b gezeigt. Im Wellenlängenbereich von 300 bis 700 nm ist der WSe₂ Nanoblätter haben Absorption. Von 400 bis 700 nm nimmt die Absorption mit der Wellenlänge ab. Die Absorption bei drei Wellenlängen 405, 532 und 660 nm wird verglichen, wie in Fig. 1b gezeigt

a Raman-Spektrum von WSe₂ . b Absorptionsspektrum von WSe₂

Der MF wurde im „Flammbürsten“-Verfahren hergestellt. Der MF wurde durch Ziehen eines Stücks einer Standard-Singlemode-Faser von Corning Inc. mit einer Geschwindigkeit von ~ 0,2 mm/s, erhitzt durch eine Flamme, erhalten. Um eine rein optische Lichtsteuerung in WSe₂ . zu realisieren -beschichteter MF, entsprechende Taille des MF ist erforderlich. Eine kleinere MF-Taille ermöglicht eine stärkere Interaktion zwischen Licht und WSe₂ , aber die TOP ist möglicherweise zu schwach, um erkannt zu werden, da der Verlust groß ist. Abbildung 2 a zeigt den hergestellten MF mit einem Durchmesser von ∼ 9.5 μm im einheitlichen Taillenbereich. Der Einschub von Abb. 2a ist das mikroskopische Bild des MF mit einem am Eingang gestarteten 650-nm-Laser. Der Durchmesser des MF wurde unter Verwendung eines optischen Mikroskops (Zeiss Axio Scope A1 Mikroskop) gemessen. Wie in Fig. 2b gezeigt, hat der Taillenbereich des MF eine Länge von 6 mm und einen Durchmesser von ∼ 9,5 μm. Die Gesamtlänge des MF beträgt ∼ 25 mm.

a Mikroskopische Aufnahme des hergestellten MF. b Morphologische Charakteristik von MF

Der nächste Schritt war die Ablagerung des WSe₂ Nanoblätter auf den MF. Vor der Abscheidung wurde der MF an einem Glasbecken (20 mm × 5 mm × 1 mm) befestigt, das aus Glas und UV-Kleber (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific) bestand. Danach die WSe₂ Dispersion wurde mit einer Pipette auf den MF getropft. Die TOP von MF während des Abscheidungsprozesses wurde mit einem 1550-nm-Distributed-Feedback-(DFB)-Laser überwacht. Wie in Abb. 3 gezeigt, beträgt der TOP vor der Abscheidung etwa –10 dBm. Nach 5 min Abscheidung sinkt der TOP steil auf –43 dBm. Dann steigt der TOP auf − 35 dBm nach 14 min. Der TOP wird bei −37 dBm stabil, was anzeigt, dass die Abscheidung abgeschlossen ist.

Variation von TOP in MF während der Abscheidung von WSe₂

Die rasterelektronenmikroskopische (REM) Aufnahme des mit WSe₂ . beschichteten MF Nanoblätter ist in Abbildung 4 dargestellt. Abbildung 4 a zeigt die WSe₂ Nanoblätter fallen auf dem MF mit einem Durchmesser von ~ 9.5 µm aus und sein vergrößertes Bild ist im Einschub von Abb. 4a gezeigt. Die Querschnittsansicht des mit WSe₂ beschichteten MF Nanoblätter ist in Abb. 4b gezeigt. Der Einschub von Fig. 4b zeigt, dass die Dicke des abgeschiedenen WSe₂ Nanoblätter ist ~ 150 nm.

a REM-Aufnahme des MF beschichtet mit WSe₂ . b Querschnittsansicht des MF beschichtet mit WSe₂ Nanoblätter

Um die Lichtabsorption des WSe₂ . zu untersuchen Film, Lichtlenkung im WSe₂ -beschichtete MF wurde mit der Finite-Elemente-Methode in COMSOL simuliert. Im Modell ein 150-nm-WSe₂ Schicht wird um den ~ 9.5 μm MF gewickelt. Die Brechungsindizes von MF und WSe₂ Nanoblatt sind 1,46 bzw. 2,64 + 0,2i [37]. Das Berechnungsfenster beträgt 20 μm × 20 μm und die Maschenweite beträgt 50 nm. Die Wellenlänge wurde auf 1550  nm festgelegt. Die Modenfeldverteilungen von MF und WSe₂ -beschichtete MF wurden berechnet. Abbildung 5 a zeigt die 2D-Modenverteilung bei 1550 nm. Der effektive Index des Modus im MF mit dem WSe₂ Schicht entsprechend Abb. 5a ist 1,4567–2,04 × 10 ⁻³ i, was auf WSe₂ hinweist s Absorption. Die radiale Feldverteilung des nackten MF und WSe₂ -beschichtete MF entlang der weißen gestrichelten Linie von Fig. 5a ist in Fig. 5b aufgetragen. Die radiale Feldverteilung hat die gleiche Spitzenintensität bei ~ 0 μm. Im vergrößerten Bild von Abb. 5b ist die Feldverteilung von WSe₂ -beschichteter MF zeigt eine abrupte Änderung als Folge einer Indexdiskontinuität.

a 2D-Feldverteilung des simulierten Führungsmodus in WSe₂ -beschichtetes MF. b Radiale Feldverteilung des nackten MF und WSe₂ -beschichteter MF, und der Einschub zeigt ein vergrößertes Bild des Feldes an der MF-Oberfläche

Die rein optische Lichtsteuerung in WSe₂ -beschichtete MF wird mit dem in Abb. 6 gezeigten Versuchsaufbau charakterisiert. Der 1550-nm-DFB-Laser (SOF-155-D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) wird an den Eingang des Gerätes angeschlossen und der Ausgang wird von der optischer Leistungsmesser. Zum externen Pumpen werden die 405-, 532- und 660-nm-Laser verwendet. Der MF beschichtet mit WSe₂ wird von den Lasern bestrahlt, die ~ 10 cm über der Probe platziert sind. Erstens die TOP von MF ohne WSe₂ wird mit diesem Versuchsaufbau gemessen.

Versuchsaufbau zur Messung der TOP des Gerätes unter externer Laserlichtbeleuchtung

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 7a–c zeigt die relative Leistungsvariation für verschiedene Pumpleistungen der 405-, 532- bzw. 660-nm-Laser. Wie in 7a gezeigt, sind die Änderungen von TOP des bloßen MF kleiner als 0,03 dB unter 405-nm-Laserbestrahlung. Ähnliche Ergebnisse werden für die 532- und 660-nm-Laser erhalten. Die TOP-Variationen sind kleiner als 0,02 bzw. 0,03 dB für die 532- bzw. 660-nm-Laser.

TOP Änderungen bei unterschiedlichen Pumpleistungen unter a 405-nm-Laser, b 532-nm-Laser und c 660-nm-Laserbeleuchtung

Dann die Oberseite des MF mit WSe₂ coated beschichtet Nanoblätter wird unter verschiedenen Pumpleistungen gemessen. Die Experimente werden mit der 405-nm-(violetten) Laserleistung (LSR405NL, Lasever Inc.) im Bereich von 0  bis 13,3 mW durchgeführt. Abbildung 8 a zeigt die relative Leistungsvariation des mit WSe₂ . beschichteten MF Nanoblätter unter 405-nm-Laserbeleuchtung. Der TOP steigt mit der Pumpleistung. Wenn die Pumpleistung eines 405-nm-Lasers von 0 auf 13,3 µmW ansteigt, beträgt die TOP-Variation 4,2 µdB. Die TOP-Variation beträgt ebenfalls 4,2 dB, wenn die 405-m-Laserleistung von 13,3 auf 0 mW sinkt. Um die Beziehung zwischen der TOP und der 405-nm-Laserleistung zu analysieren, werden die Mittelwerte der TOP für verschiedene Pumpleistungsstufen in Fig. 8a extrahiert. Die Änderung von TOP mit Pumplichtleistung ist in Fig. 8b gezeigt. Die Empfindlichkeit der TOP-Variation gegenüber der Pumpleistung wird durch die Steigung der linearen Anpassungskurve bestimmt. Eine Empfindlichkeit von 0,30   dB/mW wird sowohl für die Zunahme der Violettleistung als auch für die Abnahme der Violettleistung erreicht, wodurch bestätigt wird, dass die rein optische Lichtsteuerung eine gute Wiederholbarkeit und Stabilität aufweist. Die rein optische Lichtlenkung des MF beschichtet mit Wse₂ Nanoblätter wird mit den 532- und 660-nm-Lasern analysiert. Abbildung 8 c zeigt die TOP-Variation, wenn die 532-nm-Laserleistung (grün) von 0 auf 13,3  mW ansteigt. Die TOP wechselt mit der grünen Laserleistung. Die relativen Leistungsschwankungen betragen 3,2 dB sowohl bei steigender Pumpleistung (von 0 auf 13,3 mW) als auch bei abnehmender Pumpleistung (von 13,3 auf 0 mW). Die TOP-Variation für unterschiedliche Pumplichtleistungen ist in 8d aufgetragen. Die Empfindlichkeiten betragen 0,23 dB/mW sowohl für den Anstiegs- als auch den Abnahmeprozess. Ähnliche Ergebnisse werden für die 660-nm-(rot)-Laserpumpe erhalten. Wie in Fig. 8e gezeigt, erhöht sich der TOP um 2,9 dB, wenn die rote Laserleistung von 0 auf 17,0 mW ansteigt, und die Leistungsänderung ist die gleiche für den Abnahmeprozess. Die Empfindlichkeiten unter der roten Laserbeleuchtung werden aus Fig. 8f erhalten, die 0,16 dB/mW sowohl für die ansteigende Pumpleistung (von 0 auf 17,0   mW) als auch für die abnehmende Pumpleistung (von 17,0 auf 0 mW) betragen. In Fig. 8b, d und f für die rein optische Abstimmung ist die Linearität unterschiedlich. Während des zunehmenden Leistungsprozesses wird der R ² die Werte sind 0,907, 0,976 und 0,984 für den violetten, grünen bzw. roten Laser. Die R ² Werte von 0,915, 0,977 und 0,991 werden bei dem Verfahren zur Abnahme der Leistung für den violetten, grünen bzw. roten Laser erhalten. Hier bietet der violette Laser eine bessere Empfindlichkeit, aber die Linearität des roten Lasers ist besser. Für die rein optische Lichtsteuerung in MoSe_2- beschichtetem MF hat das 980-nm-Licht eine bessere Linearität und Empfindlichkeit als das 405-nm-Licht [17]. Daher gibt es keine konsistente Beziehung zwischen Linearität und Empfindlichkeit für verschiedene Geräte unter verschiedenen Pumplasern. Wir glauben, dass Linearität und Empfindlichkeit mit dem 2D-Material, der Abscheidungsmethode, der Faserstruktur und der Stabilität des Pumplichts zusammenhängen.

a TOP Variation unter verschiedenen 405-nm-Laserleistungen. b TOP-Variation gegenüber 405-nm-Pumplichtleistung. c TOP Variation unter verschiedenen 532-nm-Laserleistungen. d TOP-Variation gegenüber 532-nm-Pumplichtleistung. e TOP-Variante unter verschiedenen 660-nm-Laserleistungen. f TOP-Variation gegenüber 660-nm-Pumplichtleistung

Es ist zu beachten, dass die Temperatur des mit WSe₂ beschichteten MF ändert sich unter Laserbeleuchtung. Die Temperatur wird von einem Thermoelement erfasst, wenn sich die Pumpenleistung ändert. Abbildung 9 a zeigt die Temperaturänderung für verschiedene violette Pumpleistungen. Die Temperatur steigt mit der Pumpenleistung. Die Temperatur steigt von 21,6  auf 28,1 °C, wenn die violette Pumpleistung von 0 auf 13,3 mW ansteigt. Wenn die violette Pumpleistung von 13,3 auf 0 mW sinkt, sinkt die Temperatur von 28,1 auf 22,0 °C. Die Temperaturschwankungen werden auch für die grünen und roten Pumplaser überwacht. Wie in Fig. 9b gezeigt, kann das Erhöhen und Verringern der grünen Laserleistungen im Bereich von 0 bis 13,3 mW Temperaturschwankungen von 6,7 °C bzw. 6,1 °C hervorrufen. Abbildung 9 c zeigt die Temperaturvariation unter Rotlaser-Pumpe, die den gleichen unterschiedlichen Trend aufweist. Die Temperatur ändert sich um 7,1 °C und 7,0 °C, wenn die rote Pumpenleistung zwischen 0 und 17,0 mW variiert. Die Temperatur als Funktion der Pumpleistung ist in Abb. 10 aufgetragen. Wie in Abb. 10a gezeigt, ergibt die lineare Anpassung der Temperaturänderung Empfindlichkeiten von 0,46 °C/mW und 0,44 °C/mW für steigende und fallende violette Pumpleistung , bzw. Abbildung 10 b zeigt die Temperaturempfindlichkeiten von 0,44 °C/mW und 0,41 °C/mW für steigende bzw. sinkende grüne Pumpleistung. Für den roten Pumpleistungserhöhungs- und -verringerungsprozess werden die Temperaturempfindlichkeiten mit 0,41 °C/mW gemessen. Die Ergebnisse zeigen die WSe₂ können als effiziente und kompakte Heizgeräte für die rein optische Steuerung und thermo-optische Abstimmung angesehen werden [38]. Um den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Geräteleistung zu untersuchen, wurde der MF mit WSe₂ . beschichtet nanosheets wird zur TOP-Messung auf eine keramische Heizplatte (CHP-250DF, AS ONE) gelegt. Wie in 11a gezeigt, sind die TOP-Variationen kleiner als 0,03 dB, wenn die Kammertemperatur von 22 auf 30 °C geändert wird. Die Ergebnisse, die bestätigen, dass dieses Gerät unempfindlich gegenüber der Umgebungstemperatur ist. Wie in 11a gezeigt, sind die TOP-Variationen kleiner als 0,03 dB, wenn die Kammertemperatur von 22 auf 30 °C geändert wird. Die Ergebnisse, die bestätigen, dass dieses Gerät unempfindlich gegenüber der Umgebungstemperatur ist. Dieses Gerät ist relativ stabil, wenn es bei hohen Temperaturen für die rein optische Abstimmung verwendet wird. Wie in Fig. 11b gezeigt, sind die TOP-Variationen kleiner als 0,55 dB, wenn die Temperatur langsam von 70 °C auf 100 °C erhöht wird.

Temperatur des mit WSe₂ beschichteten MF Nanoblätter für verschiedene a violette Pumpleistung, b grüne Pumpleistung und c rote Pumpenleistung

Temperatur als Funktion der Pumpleistung für a violetter Laser, b grüner Laser und c roter Laser

Oberseite des MF beschichtet mit WSe₂ Nanoblätter unter a unterschiedliche Umgebungstemperatur und b hohe Temperatur

Das Einschwingverhalten des mit WSe₂ . beschichteten MF Nanosheets wird mit dem in Abb. 12 gezeigten Versuchsaufbau gemessen. Der 1550-nm-Laser wird an den Eingang des MF angeschlossen. Die Ausgänge der violetten, grünen und roten Laser werden von einem Signalgenerator (AFG 3102, Tektronix) moduliert. Der Ausgang des Signalgenerators ist eine Rechteckwelle. Ein Photodetektor (Modell 1811, New Focus) und ein Oszilloskop (DS1052E, RIGOL) werden verwendet, um die Ausgabe des MF zu überwachen. Abbildung 13 a–c zeigt die vom Oszilloskop überwachte Reaktion bei violetter, grüner bzw. roter Laserbeleuchtung. Wie in 13a gezeigt, betragen die violetten Pumpleistungen 16,8, 20,3 und 22,8 mW für die Reaktionszeitmessung. Die Anstiegszeit und Abfallzeit werden mit 17,9 bzw. 18,4 µms für den violetten Laser gemessen. Für grüne Laserbeleuchtung betragen die Pumpleistungen 8,3, 13,7 und 20,0 mW, wie in 13b gezeigt. Die Anstiegszeit und Abfallzeit werden mit 15,3 bzw. 16,9 µms für den grünen Laser gemessen. Wie in Fig. 13c gezeigt, beträgt die Anstiegszeit und Abfallzeit bei roter Laserbeleuchtung mit Pumpleistungen von 10,7, 16,8 und 20,5 µmW 16,9 bzw. 18,3 µms.

Versuchsaufbau der Messung des Einschwingverhaltens

Reaktionszeit des MF beschichtet mit WSe₂ Nanoblätter mit einer Pumplichtwellenlänge von a violette Laserbeleuchtung, b grüne Laserbeleuchtung und c rote Laserbeleuchtung

Die Abstimmempfindlichkeit von TOP ist für die violetten, grünen und roten Pumplaser unterschiedlich. Dies liegt daran, dass die Absorption bei kürzeren Wellenlängen viel stärker ist, wie in Abb. 1b gezeigt. Die rein optische Kontrolle von TOP beruht auf der Kombination von thermooptischem Effekt und photonenerzeugten Trägern in MF mit WSe₂ . Die Interaktion zwischen dem externen Pumplicht und WSe₂ bewirkt eine effektive Indexänderung von WSe₂ . Die WSe₂ Nanoblätter absorbieren das Pumplaserlicht. Die Temperatur von MF mit WSe₂ steigt mit der Pumpleistung, wie in den Fign. 9 und 10. Der Realteil des Brechungsindex (n _r ) von WSe₂ sinkt, wenn die Temperatur des MF mit WSe₂ steigt [39]. Die n _r nimmt auch aufgrund der Erhöhung der Ladungsträgerkonzentration ab, die mit der Leitfähigkeit von WSe₂ . zusammenhängt Nanoblätter [40]. Als Ergebnis wird der effektive Brechungsindex (n _eff ) von geführten Moden in MF beschichtet mit WSe₂ wird durch externe Laserbeleuchtung variiert. Die durch Photonen erzeugten Träger führen auch zu einer Indexvariation von WSe₂ und Änderung der n _eff [38]. Daher kann die TOP mit externen Pumplasern verändert werden. Mit der Finite-Elemente-Methode werden Simulationen durchgeführt, um die Mechanismen der TOP-Abstimmung zu untersuchen. Wie in Abb. 14a gezeigt, ist der Realteil von n _eff steigt mit n _r . Der wahre Teil von n _eff steigt von 1,4559 auf 1,4567 mit n _r variierend von 2,44 bis 2,64 [41, 42]. Die elektrische Feldverteilung der Mode mit n _eff von 1,4559 ist im Einschub von Fig. 14a gezeigt. Variation von n _r stellt verschiedene elektrische Feldverteilungen bereit. Durch Integrieren der elektrischen Feldverteilung des gesamten Querschnitts wird die abgegebene elektrische Energie berechnet. Wie in Abb. 14b gezeigt, nimmt die abgegebene elektrische Energie mit n . ab _r von 2,44 auf 2,64 mit einer Rate von 1,76 × 10 ⁷ W/m. ² Daher steigt die Ausgangsleistung mit der externen Pumpleistung. Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Um die Auswirkungen der WSe₂ . zu untersuchen Schichtnummer auf die Geräteleistung, Simulationen wurden mit der Finite-Elemente-Methode in COMSOL durchgeführt. Die Dicke des vierlagigen WSe₂ Nanoblatt ist 2,8 nm und der entsprechende Brechungsindex von WSe₂ ist 3,7 + 0,2i [43]. Die lineare Anpassung des Realteils von n _eff gegen n _r ist in Fig. 15a gezeigt. Der wahre Teil von n _eff steigt mit n _r wenn es von 3,50 bis 3,70 variiert wird. Die elektrische Feldverteilung der Mode für n _eff von 1.4550619 ist im Einschub von Fig. 15a gezeigt, der kreissymmetrisch ist. Im Vergleich dazu ist die elektrische Feldverteilung der Mode in 14a asymmetrisch, da das Licht von der 150-nm-WSe₂ . absorbiert wird Nanoblatt. Die abgegebene elektrische Energie nimmt ab, wenn n _r steigt von 3,50 auf 3,70 mit einer Rate von 1,41 × 10 ⁴ W/m ² , wie in Abb. 15b gezeigt. Die Änderungsrate der elektrischen Ausgangsenergie des 150 nm WSe₂ Nanoblatt ist viel größer als das des 2,8-nm-WSe₂ Nanoblatt, was auf das dicke WSe₂ . hinweist Nanosheet bietet eine bessere Leistung für die rein optische Abstimmung.

a Der Modus-Realteil von n _eff als Funktion von n _r für 150-nm-WSe₂ Nanoblatt. Und der Einschub ist die elektrische Feldverteilung der Mode mit n _eff von 1.4559. b Abhängigkeit der abgegebenen elektrischen Energie von n _r für 150-nm-WSe₂ Nanoblatt

a Der Modus-Realteil von n _eff gegen n _r für die vierschichtige WSe₂ Nanoblatt. Und der Einschub ist die elektrische Feldverteilung der Mode mit n _eff von 1.4550619. b Abhängigkeit der abgegebenen elektrischen Energie von n _r für die vierschichtige WSe₂ Nanoblatt

Die 3D-Finite-Differenz-Zeitdomäne (FDTD) (Lumerical FDTD Solution) wurde verwendet, um die Ausgangsleistung des MF überlagert mit WSe₂ . zu berechnen . Das Schema der Gerätekonfiguration zur Berechnung der Ausgangsleistung ist in Abb. 16a dargestellt. Im Modell die Dicke von WSe₂ Schicht, der Durchmesser der MF und der Brechungsindex der MF wurden auf 150 nm, 9,5 &mgr;m bzw. 1,46 eingestellt. Die Länge des MF wird zur qualitativen Berechnung auf 10 µm eingestellt. Das x , y und z Richtungen haben eine Rasterauflösung von 10 nm. Die elektrische Feldverteilung im x -z ebener Querschnittsschnitt bei y =0 µm ist in Abb. 16b dargestellt. Die berechnete Transmission ist in Abb. 17 dargestellt. Wie in Abb.17a gezeigt, nimmt die Transmission der MF mit n . ab _r , und der Variationstrend stimmt mit den mit COMSOL erhaltenen Ergebnissen überein. Die Verluste betragen 10,80 und 10,94 dB/mm für n _r =2,44 und n _r =2,64 bzw. Dann wurde die Transmission von MF für Wellenlängen von 1530 bis 1570 nm mit einem Brechungsindex von WSe₂ . berechnet Nanoblatt fixiert bei 2,64 + 0,2i. Wie in 17b gezeigt, nimmt die Transmission mit der Wellenlänge ab. Der Verlust variierte von 10,58 bis 10,85 dB/mm, wenn sich die Wellenlänge von 1530 auf 1570 nm änderte.

a Das Schema der Gerätekonfiguration für die Berechnung mit 3D FDTD. b Die elektrische Feldverteilung im x -z ebener Querschnitt

Berechnete Transmission als Funktion von a n _r und b Wellenlänge

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.

Schlussfolgerungen

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.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

DFB:

Distributed feedback laser; SEM

Rasterelektronenmikroskopie

MF:

Microfiber

MKR:

Microfiber knot resonator

n _eff :

Effective refractive index

n _r :

Refractive index

SPF:

Side-polished fiber

TMDs:

Übergangsmetalldichalkogenide

TOP:

Transmitted optical power