Präzise all-optische Steuerung der Lichttransmission in WSe₂-beschichteten Mikrofasern

Zusammenfassung

Tungstendiselenid (WSe₂) hat aufgrund vielseitiger Anwendungen – p-n-Übergänge, Transistoren, Faserlaser, Spintronik, Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität – großes Interesse geweckt. Wir demonstrieren all-optisches Tuning von Licht in WSe₂-beschichteter Mikrofaser (MF) mittels WSe₂'s breiter Absorptionsbandbreite und thermo-optischem Effekt. Die transmittierte optische Leistung (TOP) kann durch externe Pumplasers (405, 532 und 660 nm) gesteuert werden. Die Empfindlichkeit unter 405-nm-Pumplichtanregung beträgt 0,30 dB/mW. Eine Anstiegs-/Abfallzeit von ~15,3/16,9 ms wird unter 532-nm-Pumplichtanregung erreicht. Theoretische Simulationen untersuchen den Tuning-Mechanismus von TOP. Die Vorteile dieses Geräts sind einfache Fertigung, all-optische Steuerung, hohe Empfindlichkeit und schnelle Ansprechzeit. Das vorgeschlagene all-optisch abstimmbare Gerät hat potenzielle Anwendungen in all-optischen Schaltkreisen, all-optischen Modulatoren und mehrdimensional abstimmbaren optischen Geräten.

Einleitung

Optoelektronik, Photonik und Mikroelektronik sind in modernen Telekommunikationssystemen unverzichtbar. Photonic Devices aus mikro- oder nanometer-skaligen optischen Komponenten werden entwickelt, um miniaturisierte Strukturen, schnelle Ansprechzeiten und hohe Empfindlichkeit zu erreichen [1]. Abstimmbare all-optische Geräte finden Anwendung in optischer Kommunikation und Signalverarbeitung. Licht-steuert-Licht in Fasern wurde berichtet, aber die Leistungssteigerung – besonders TOP-Empfindlichkeit und Ansprechzeit – bleibt eine Herausforderung. Ein guter Weg zur Verbesserung ist die Verwendung zweidimensionaler (2D) Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs), die umfangreich in Sensoren [2], optoelektronischen Geräten [3], Transistoren [4], sättigbaren Absorbern [5] und Speichergeräten [6] eingesetzt werden. All-optische Modulation wurde mit graphen-dekorierter Mikrofaser (MF) [7], graphen-bedeckter MF [8] und stereo Graphen-MF-Strukturen [9] realisiert. Tuning von MF-Geräten wurde erreicht, wenn die MF mit verschiedenen Materialien verbunden ist, wie Flüssigkristall [10], Lithiumniobat [11] und Polymer [12]. All-optisch abstimmbare Mikrofaser-Knotenresonatoren (MKR) mit Graphen oben und unten wurden realisiert [13]. Das Beschichten der glatten, verlustfreien MF-Oberfläche mit verschiedenen 2D-Materialien ermöglicht Licht-steuert-Licht-Funktionalität von MF und MF-Resonatoren. All-optische Steuerung von Licht in WS₂-beschichtetem MKR wurde mit einer übertragenen Leistungsvariationsrate von ~0,4 dB/mW unter violetter Pumpe und einer Ansprechzeit von ~0,1 s berichtet [14]. All-optische Licht-steuert-Licht-Funktionalität von MKR, beschichtet mit SnS₂, wurde ebenfalls realisiert; die TOP-Variationsrate bezüglich violettem Licht beträgt ~0,22 dB/mW und die Ansprechzeit ist so schnell wie ~3,2 ms [15]. Die TOP der MF, umwickelt mit reduziertem Graphenoxid, wurde durch violette Pumplicht mit einer Variationsrate von ~0,21 dB/mW manipuliert [16]. All Licht-steuert-Licht-Eigenschaften von MoSe₂-beschichteter MF wurden ebenfalls untersucht; die TOP-Empfindlichkeit beträgt ~0,165 dB/mW unter violetter Pumplicht und die Anstiegszeit der transitorischen Antwort ist ~0,6 s [17]. TOP-Empfindlichkeit und Ansprechzeit sind wichtige Eigenschaften von MF-Geräten. Für Anwendungen wie all-optisches Tuning und optische Modulation sind Verbesserungen der TOP-Empfindlichkeit und Ansprechzeit erforderlich.

Als typisches Beispiel für TMD-Materialien hat Tungstendiselenid (WSe₂) großes Forschungsinteresse erhalten und ist potenziell wichtiger Baustein für elektronische und optoelektronische Anwendungen. WSe₂ hat einen hohen Seebeck-Koeffizienten, ultraniedrige Wärmeleitfähigkeit und Ambipolarität, was es zu einem attraktiven Kandidaten für flexible Elektronik macht [18, 19]. Beispielsweise wurde elektrisches Tuning von p-n-Übergängen basierend auf Ambipolarität von WSe₂ erreicht [20]. Elektrische Steuerung der zweiten Harmonischen-Generierung in einem WSe₂-Monolayer-Transistor wurde unter Nutzung starker Exzitonen-Ladeeffekte in WSe₂ berichtet [21]. WSe₂ hat einen großen Absorptionskoeffizienten im sichtbaren und nahen Infrarot, der in der Umwandlung von Solarenergie in Elektrizität ausgenutzt wurde [22]. Im Vergleich zum Sulfid ist das Selenid stabiler und beständiger gegen Oxidation in Umgebungsbedingungen [23]. Zusätzlich bietet WSe₂ eine hohe intrinsische Lochbeweglichkeit von 500 cm² V⁻¹ s⁻¹, weit höher als die von MoS₂ [24]. Mit dieser Eigenschaft wurden hochbewegliche p- und n-Typ-Feldeffekttransistoren mit Monolayer-WSe₂ berichtet [25]. Monolayer-WSe₂ zeigt eine direkte Bandlücke mit starker Photolumineszenz [26]. Die nichtlinearen sättigbaren Absorptionseigenschaften von WSe₂ wurden als sättigbare Absorber in Faserlasern angewendet [27]. WSe₂ zeigt großes Potenzial für all-optische Steuerung von Licht in WSe₂-basierten Fasergeräten.

Optische MFs sind optische Fasertaper mit Durchmessern von wenigen bis über 10 µm. Die MF wird durch einfaches Flammen-Erhitzen und Ziehen der Faser unter Hitze hergestellt. Dabei entsteht ein bikonischer Taper, der eine Plattform für Wechselwirkung zwischen geführtem Licht und Umgebung sowie Anschluss an andere faserbasierte Komponenten bietet [28]. Das MF-Profil kann durch Kontrolle der Ziehgeschwindigkeit und -zeit im Fertigungsprozess fein abgestimmt werden. Die MF bietet Vorteile großer evaneszenz-Felder, Konfigurierbarkeit, geringem optischem Verlust, starker optischer Einsperrung und herausragender mechanischer Flexibilität [29]. Die starke optische Einsperrung der MF bietet einen vielversprechenden Ansatz für kleine optische Schaltkreise und niedrige Schwellenwerte optischer Nichtlinearitäten. Starke und schnelle Wechselwirkung zwischen geführtem Licht und Umgebung kann basierend auf starken evaneszenz-Feldern der MF erzielt werden. Diese Eigenschaft wurde für optisches Sensing mit verschiedenen Konfigurationen ausgenutzt, wie Faser-Gitter auf MF [30], oberflächenfunktionalisierte MF [31] und Mach-Zehnder-Interferometer [32, 33]. Starke Licht-Materie-Wechselwirkung durch MF wurde auch angewendet, um all-optische Modulatoren, ultrakurze Faserlaser [34, 35] und Tuning- sowie Licht-steuert-Licht-Funktionalität zu realisieren.

In dieser Arbeit nutzen wir die breite Absorptionsbandbreite und den thermo-optischen Effekt von WSe₂, um all-optisches Tuning von Licht in WSe₂-beschichteter MF zu realisieren. Zur Realisierung all-optischer Steuerung werden externe Pumplichtwellenlängen von 405, 532 und 660 nm verwendet, um die MF zu bestrahlen. Durch die Wechselwirkung zwischen externem Pumplicht und WSe₂ wird effektiver Indexänderung realisiert und anschließend Ausgangsleistungsvariation induziert. Die gemessene TOP-Empfindlichkeit beträgt 0,30 dB/mW unter 405-nm-Pumplichtanregung. Die durch externen Pumplaser induzierte Temperaturänderung und Geräteantwort werden untersucht. Theoretische Simulationen werden durchgeführt, um den Tuning-Mechanismus von TOP zu verifizieren.

Methoden

Die Konzentration der WSe₂-Dispersionen betrug 1 mg/ml, gewonnen durch Flüssigphasen-Exfoliation. Um WSe₂-Nanosheets mit gleichmäßiger Verteilung zu erhalten, wurde eine Ultraschallbehandlung der WSe₂-Dispersionen für ~30 min durchgeführt. Zur Charakterisierung der WSe₂-Nanosheets wurden Raman- und UV-Vis-Absorptionsspektren gemessen. Das Raman-Spektrum der WSe₂-Nanosheets, angeregt durch einen 488-nm-Laser, ist in Abb. 1a gezeigt. Die WSe₂-Nanosheets zeigen nur einen starken Schwingungsmodus um 252,2 cm⁻¹, resultierend aus Entartung der E_2g- und A_1g-Moden. Ein zusätzlicher Raman-Peak erscheint bei 5–11 cm⁻¹, wenn die WSe₂-Flocken dünner als vier Lagen sind [36]. Das Absorptionsspektrum der WSe₂-Nanosheets, gemessen mit einem UV-Vis-Spektrophotometer (UV-2600, SHIMADZU), ist in Abb. 1b gezeigt. Im Wellenlängenbereich 300 bis 700 nm haben die WSe₂-Nanosheets Absorption. Von 400 bis 700 nm nimmt die Absorption mit der Wellenlänge ab. Die Absorption bei den drei Wellenlängen 405, 532 und 660 nm wird verglichen, wie in Abb. 1b dargestellt.

Die MF wurde mit der „Flame-Brushing“-Technik hergestellt. Die MF wurde durch Ziehen eines Stücks Standard-Einmodenfaser von Corning Inc. mit einer Geschwindigkeit von ~0,2 mm/s, erhitzt durch eine Flamme, erhalten. Um all-optische Steuerung in WSe₂-beschichteter MF zu realisieren, ist ein geeigneter MF-Taille erforderlich. Ein kleinerer MF-Taille ermöglicht stärkere Wechselwirkung zwischen Licht und WSe₂, aber die TOP könnte zu schwach zum Detektieren sein, da der Verlust groß ist. Abbildung 2a zeigt die gefertigte MF mit einem Durchmesser von ~9,5 µm im einheitlichen Taillenbereich. Das Inset von Abb. 2a ist das Mikroskopbild der MF mit einem 650-nm-Laser am Eingang. Wie in Abb. 2b gezeigt, hat der Taillenbereich der MF eine Länge von ~6 mm und einen Durchmesser von ~9,5 µm. Die Gesamtlänge der MF beträgt ~25 mm.

Der nächste Schritt war die Abscheidung der WSe₂-Nanosheets auf die MF. Vor der Abscheidung wurde die MF an ein Glasbecken (20 mm × 5 mm × 1 mm) fixiert, das aus Glas und UV-Klebstoff (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific) bestand. Danach wurde die WSe₂-Dispersion mit einer Pipette auf die MF getropft. Die TOP der MF während des Abscheidungsprozesses wurde mit einem 1550-nm verteilter Rückkopplungs-(DFB)-Laser überwacht. Wie in Abb. 3 gezeigt, beträgt die TOP vor Abscheidung etwa −10 dBm. Nach 5 min Abscheidung fällt die TOP scharf auf −43 dBm. Dann steigt die TOP nach 14 min auf −35 dBm. Die TOP stabilisiert sich bei −37 dBm, was das Ende der Abscheidung anzeigt.

Das Rasterelektronenmikroskopie-(REM)-Bild der mit WSe₂-Nanosheets beschichteten MF ist in Abb. 4 gezeigt. Abbildung 4a zeigt die WSe₂-Nanosheets, die auf der MF mit ~9,5 µm Durchmesser ausfallen, und ihr vergrößertes Bild im Inset von Abb. 4a. Der Querschnittsblick der mit WSe₂-Nanosheets beschichteten MF ist in Abb. 4b gezeigt. Der Inset von Abb. 4b zeigt, dass die Dicke der abgeschiedenen WSe₂-Nanosheets ~150 nm beträgt.

Um die Lichtabsorption des WSe₂-Films zu untersuchen, wurde die Lichtführung in der WSe₂-beschichteten MF mit der Finite-Elemente-Methode in COMSOL simuliert. Im Modell ist eine 150-nm-WSe₂-Schicht um die ~9,5-µm-MF gewickelt. Die Brechungsindizes der MF und des WSe₂-Nanosheets betragen 1,46 und 2,64 + 0,2i [37]. Das Berechnungsfenster ist 20 µm × 20 µm und die Maschengröße 50 nm. Die Wellenlänge wurde auf 1550 nm festgelegt. Die Modenfeldverteilungen der MF und der WSe₂-beschichteten MF wurden berechnet. Abbildung 5a zeigt die 2D-Modenverteilung bei 1550 nm. Der effektive Index des Modus in der MF mit der WSe₂-Schicht entsprechend Abb. 5a ist 1,4567 − 2,04 × 10⁻³ i, was WSe₂'s Absorption anzeigt. Die radiale Feldverteilung der nackten MF und der WSe₂-beschichteten MF entlang der weißen gestrichelten Linie von Abb. 5a ist in Abb. 5b dargestellt. Die radiale Feldverteilung hat die gleiche Spitzenintensität bei ~0 µm. Im gezoomten Bild von Abb. 5b zeigt die Feldverteilung der WSe₂-beschichteten MF eine abrupte Variation als Ergebnis der Indexdiskontinuität.

Die all-optische Steuerung von Licht in WSe₂-beschichteter MF wird mit dem experimentellen Aufbau wie in Abb. 6 gezeigt charakterisiert. Der 1550-nm DFB-Laser (SOF-155-D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) ist mit dem Eingang des Geräts verbunden, und der Ausgang wird vom optischen Leistungsmesser überwacht. Die 405-, 532- und 660-nm-Laser werden für externe Pumpe verwendet. Die mit WSe₂ beschichtete MF wird von den Lasern bestrahlt, die ~10 cm über dem Sample platziert sind. Zunächst wird die TOP der MF ohne WSe₂ mit diesem experimentellen Aufbau gemessen.

Ergebnisse und Diskussion

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

Dann wird die TOP der mit WSe₂-Nanosheets beschichteten MF unter verschiedenen Pumpleistungen gemessen. Die Experimente werden mit dem 405-nm (violett) Laserleistung (LSR405NL, Lasever Inc.) von 0 bis 13,3 mW durchgeführt. Abbildung 8a zeigt die relative Leistungsänderung der mit WSe₂-Nanosheets beschichteten MF unter 405-nm-Laserbestrahlung. Die TOP steigt mit der Pumpleistung. Wenn die Pumpleistung des 405-nm-Lasers von 0 auf 13,3 mW steigt, beträgt die TOP-Variation 4,2 dB. Die TOP-Variation beträgt auch 4,2 dB, wenn die 405-nm-Laserleistung von 13,3 auf 0 mW abnimmt. Um die Beziehung zwischen TOP und 405-nm-Laserleistung zu analysieren, werden die Mittelwerte der TOP für verschiedene Pumpleistungsschritte in Abb. 8a extrahiert. Die Änderung der TOP mit Pumplichtleistung ist in Abb. 8b dargestellt. Die Empfindlichkeit der TOP-Variation zur Pumpleistung wird durch die Steigung der linearen Anpassungskurve bestimmt. Eine Empfindlichkeit von 0,30 dB/mW wird sowohl für steigende als auch fallende violette Leistung erzielt, was die gute Wiederholbarkeit und Stabilität der all-optischen Steuerung verifiziert. Die all-optische Steuerung von Licht der mit WSe₂-Nanosheets beschichteten MF wird mit 532- und 660-nm-Lasern analysiert. Abbildung 8c zeigt die TOP-Variation, wenn die 532-nm (grün) Laserleistung von 0 auf 13,3 mW steigt. Die TOP ändert sich mit der grünen Laserleistung. Die relativen Leistungsvariationen betragen 3,2 dB sowohl für steigende Pumpleistung (0 bis 13,3 mW) als auch fallende Pumpleistung (13,3 bis 0 mW). Die TOP-Variation für verschiedene Pumplichtleistungen ist in Abb. 8d dargestellt. Die Empfindlichkeiten betragen 0,23 dB/mW für beide Zunahme- und Abnahmeprozesse. Ähnliche Ergebnisse erhalten sich für den 660-nm (rot) Laser-Pump. Wie in Abb. 8e gezeigt, steigt die TOP um 2,9 dB, wenn die rote Laserleistung von 0 auf 17,0 mW zunimmt, und die Leistungsänderung ist gleich für den Abnahmeprozess. Die Empfindlichkeiten unter roter Laserbeleuchtung werden aus Abb. 8f ermittelt: 0,16 dB/mW für beide steigende Pumpleistung (0 bis 17,0 mW) und fallende Pumpleistung (17,0 bis 0 mW). In Abb. 8b, d und f für all-optisches Tuning ist die Linearität unterschiedlich. Während des steigenden Leistungsprozesses betragen die R²-Werte 0,907, 0,976 und 0,984 für violette, grüne und rote Laser. R²-Werte von 0,915, 0,977 und 0,991 werden im fallenden Leistungsprozess für violette, grüne und rote Laser erzielt. Hier bietet der violette Laser bessere Empfindlichkeit, aber die Linearität des roten Lasers ist besser. Für all-optische Steuerung in MoSe₂-beschichteter MF hat das 980-nm-Licht bessere Linearität und Empfindlichkeit als 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.

Es sei angemerkt, dass die Temperatur der mit WSe₂ beschichteten MF unter Laserbeleuchtung ändert. Die Temperatur wird mit einem Thermoelement aufgezeichnet, wenn sich die Pumpleistung ändert. Abbildung 9a zeigt die Temperaturänderung für verschiedene violette Pumpleistungen. Die Temperatur steigt mit der Pumpleistung. Die Temperatur steigt von 21,6 auf 28,1 °C, wenn die violette Pumpleistung von 0 auf 13,3 mW zunimmt. Wenn die violette Pumpleistung von 13,3 auf 0 mW abnimmt, sinkt die Temperatur von 28,1 auf 22,0 °C. Die Temperaturschwankungen werden auch für grüne und rote Pumplaser überwacht. Wie in Abb. 9b gezeigt, können steigende und fallende grüne Laserleistungen im Bereich 0 bis 13,3 mW 6,7 °C und 6,1 °C Temperaturschwankungen induzieren. Abbildung 9c zeigt die Temperaturschwankung unter roter Laserpumpe, die den gleichen Trend aufweist. Die Temperatur ändert sich um 7,1 °C und 7,0 °C, wenn die rote Pumpleistung zwischen 0 und 17,0 mW variiert. Die Temperatur als Funktion der Pumpleistung ist in Abb. 10 dargestellt. Wie in Abb. 10a gezeigt, gibt die lineare Anpassung der Temperaturschwankung Empfindlichkeiten von 0,46 °C/mW und 0,44 °C/mW für steigende und fallende violette Pumpleistung. Abbildung 10b zeigt die Temperatursensitivitäten von 0,44 °C/mW und 0,41 °C/mW für steigende und fallende grüne Pumpleistung. Für den Anstieg und Abfall der roten Pumpleistung werden Temperatursensitivitäten von 0,41 °C/mW gemessen. Die Ergebnisse zeigen, dass WSe₂ als effiziente und kompakte Heizer für all-optische Steuerung und thermo-optisches Tuning angesehen werden kann [38]. Um den Einfluss der Umgebungstemperatur auf die Geräteleistung zu untersuchen, wird die mit WSe₂-Nanosheets beschichtete MF auf eine Keramik-Heizplatte (CHP-250DF, AS ONE) für TOP-Messung platziert. Wie in Abb. 11a gezeigt, sind die TOP-Variationen kleiner als 0,03 dB, wenn die Kammertemperatur von 22 auf 30 °C geändert wird. Die Ergebnisse verifizieren, dass dieses Gerät unempfindlich gegenüber Umgebungstemperatur ist. Wie in Abb. 11a gezeigt, sind die TOP-Variationen kleiner als 0,03 dB, wenn die Kammertemperatur von 22 auf 30 °C geändert wird. Die Ergebnisse verifizieren, dass dieses Gerät unempfindlich gegenüber Umgebungstemperatur ist. Dieses Gerät ist relativ stabil, wenn es bei hoher Temperatur für all-optisches Tuning verwendet wird. Wie in Abb. 11b gezeigt, wenn die Temperatur langsam von 70 auf 100 °C erhöht wird, sind die TOP-Variationen kleiner als 0,55 dB.

Die transiente Antwort der mit WSe₂-Nanosheets beschichteten MF wird mit dem experimentellen Aufbau wie in Abb. 12 gezeigt gemessen. Der 1550-nm-Laser ist mit dem Eingang der MF verbunden. Die Ausgänge der violetten, grünen und roten Laser werden durch einen 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 den Ausgang der MF zu überwachen. Abbildung 13a–c zeigt die vom Oszilloskop überwachte Antwort unter violetter, grüner und roter Laserbeleuchtung. Wie in Abb. 13a gezeigt, betragen die violetten Pumpleistungen 16,8, 20,3 und 22,8 mW für die Ansprechzeitmessung. Anstiegszeit und Abfallzeit werden für den violetten Laser mit 17,9 und 18,4 ms gemessen. Für grüne Laserbeleuchtung betragen die Pumpleistungen 8,3, 13,7 und 20,0 mW, wie in Abb. 13b gezeigt. Anstiegszeit und Abfallzeit werden für den grünen Laser mit 15,3 und 16,9 ms gemessen. Wie in Abb. 13c gezeigt, unter roter Laserbeleuchtung mit Pumpleistungen von 10,7, 16,8 und 20,5 mW betragen Anstiegszeit und Abfallzeit 16,9 und 18,3 ms.

Die Tuning-Empfindlichkeit der TOP ist für violette, grüne und rote Pumplaser unterschiedlich. Dies liegt daran, dass die Absorption bei kürzeren Wellenlängen viel stärker ist, wie in Abb. 1b gezeigt. Die all-optische Steuerung der TOP ist auf die Kombination aus thermo-optischem Effekt und photonengenerierten Ladungsträgern in MF mit WSe₂ zurückzuführen. Die Wechselwirkung zwischen externem Pumplicht und WSe₂ induziert effektive Indexänderung von WSe₂. Die WSe₂-Nanosheets absorbieren das Pumplasernlicht. Die Temperatur der MF mit WSe₂ steigt mit der Pumpleistung, wie in Abb. 9 und 10 gezeigt. Der reelle Teil des Brechungsindex (n_r) von WSe₂ sinkt, wenn die Temperatur der MF mit WSe₂ steigt [39]. Der n_r sinkt auch aufgrund der Zunahme der Trägerkonzentrationen, was mit der Leitfähigkeit der WSe₂-Nanosheets zusammenhängt [40]. Als Ergebnis wird der effektive Brechungsindex (n_eff) der geführten Moden in der mit WSe₂ beschichteten MF durch externe Laserbeleuchtung variiert. Photonengenerierte Träger führen auch zu Indexvariation von WSe₂ und Änderung des n_eff [38]. Daher kann die TOP mit externen Pumplasern geändert werden. Mit der Finite-Elemente-Methode werden Simulationen durchgeführt, um die Mechanismen des TOP-Tunings zu untersuchen. Wie in Abb. 14a gezeigt, steigt der reelle Teil von n_eff mit n_r. Der reelle 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 des Modus mit n_eff von 1,4559 ist im Inset von Abb. 14a gezeigt. Variation von n_r liefert verschiedene Moden elektrischer Feldverteilungen. Durch Integration der elektrischen Feldverteilung des gesamten Querschnitts wird die Ausgangs-elektrische Energie berechnet. Wie in Abb. 14b gezeigt, nimmt die Ausgangs-elektrische Energie mit n_r von 2,44 bis 2,64 mit einer Rate von 1,76 × 10⁷ W/m² ab. Daher steigt die Ausgangsleistung mit der externen Pumpleistung. Die Simulationsergebnisse stimmen gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. Um den Einfluss der WSe₂-Lagenanzahl auf die Geräteleistung zu untersuchen, wurden Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode in COMSOL durchgeführt. Die Dicke des vierlagigen WSe₂-Nanosheets beträgt 2,8 nm, und der entsprechende Brechungsindex von WSe₂ ist 3,7 + 0,2i [43]. Die lineare Anpassung des reellen Teils von n_eff versus n_r ist in Abb. 15a gezeigt. Der reelle Teil von n_eff steigt mit n_r, wenn es von 3,50 bis 3,70 variiert. Die elektrische Feldverteilung des Modus für n_eff von 1,4550619 ist im Inset von Abb. 15a gezeigt, welche kreisförmig symmetrisch ist. Im Vergleich dazu ist die elektrische Feldverteilung des Modus in Abb. 14a asymmetrisch, da das Licht von der 150-nm-WSe₂-Nanosheet absorbiert wird. Die Ausgangs-elektrische Energie nimmt ab, wenn n_r von 3,50 bis 3,70 steigt mit einer Rate von 1,41 × 10⁴ W/m², wie in Abb. 15b gezeigt. Die Ausgangs-elektrische Energie-Variationsrate der 150-nm-WSe₂-Nanosheet ist viel größer als die der 2,8-nm-WSe₂-Nanosheet, was anzeigt, dass die dicke WSe₂-Nanosheet bessere Leistung für all-optisches Tuning bietet.

Die 3D Finite-Differenzen-Zeitbereichs-(FDTD)-Methode (Lumerical FDTD Solution) wurde verwendet, um die Ausgangsleistung der mit WSe₂ überzogenen MF zu berechnen. Das Schematische der Gerätekonfiguration für die Ausgangsleistungsberechnung ist in Abb. 16a gezeigt. Im Modell wurden die Dicke der WSe₂-Schicht, der Durchmesser der MF und der Brechungsindex der MF auf 150 nm, 9,5 µm und 1,46 festgelegt. Die Länge der MF wird für qualitative Berechnung auf 10 µm gesetzt. Die x-, y- und z-Richtungen haben eine Gitterauflösung von 10 nm. Die elektrische Feldverteilung in der x-z-Ebene Querschnitts bei y = 0 µm ist in Abb. 16b gezeigt. Die berechnete Transmission ist in Abb. 17 dargestellt. Wie in Abb. 17a gezeigt, nimmt die Transmission der MF mit n_r ab, und der Variationstrend ist konsistent mit den COMSOL-Ergebnissen. Die Verluste betragen 10,80 und 10,94 dB/mm für n_r = 2,44 und n_r = 2,64. Dann wurde die Transmission der MF für Wellenlängen von 1530 bis 1570 nm mit festem Brechungsindex des WSe₂-Nanosheets bei 2,64 + 0,2i berechnet. Wie in Abb. 17b gezeigt, nimmt die Transmission mit der Wellenlänge ab. Der Verlust variierte von 10,58 bis 10,85 dB/mm, wenn die Wellenlänge von 1530 bis 1570 nm geändert wurde.

Die Leistung von Licht-steuert-Licht-Geräten wird in Bezug auf TOP-Empfindlichkeit und Ansprechzeit bei verschiedenen Pumplichtwellenlängen verglichen, wie in Tabelle 1 aufgeführt. Die hier demonstrierte all-optische Lichtsteuerstruktur hat höhere Empfindlichkeit im Vergleich zu MF, MKR und seitenpolierter Faser (SPF) in Kombination mit verschiedenen Materialien. Die mit WSe₂ beschichtete MF hat schnellere Ansprechzeit als all-optische Tuning-Strukturen wie MKR kombiniert mit WS₂, MF überzogen mit MoSe₂, SPF kombiniert mit Flüssigkristallen und MF bedeckt mit WS₂. Verschiedene Faktoren tragen zur höheren TOP-Empfindlichkeit und schnelleren Ansprechzeit der mit WSe₂ überzogenen MF bei. Erstens bietet WSe₂ breite Absorptionsbandbreite im sichtbaren Licht und thermo-optischen Effekt für all-optisches Tuning. Zweitens ist die MF-Struktur optimiert zur Verstärkung der Licht-Materie-Wechselwirkung. Drittens ermöglicht die WSe₂-Nanosheets-Beschichtungsmethode präzise Dickenkontrolle und gleichmäßige Materialabscheidung.

Schlussfolgerungen

Wir haben all-optisches Tuning von Licht in WSe₂-beschichteter MF basierend auf der Wechselwirkung zwischen externem Pumplicht und WSe₂ gefertigt und demonstriert. Durch externe Bestrahlung von Pumplicht (405, 532 und 660 nm) versprechen WSe₂'s breite Absorptionsbandbreite und thermo-optischer Effekt effektive Indexänderung und anschließende Ausgangsleistungsvariation. Empfindlichkeit und Abfallzeit von 0,30 dB/mW und 15,3 ms können jeweils erzielt werden. Der Tuning-Mechanismus von TOP wird mit Simulationen untersucht. Die Leistung der mit WSe₂ bedeckten MF wie TOP-Empfindlichkeit und Ansprechzeit kann durch Verwendung von Monolayer-Dünnfilm, modernen Nanofabrikationsmethoden und optimierten MF-Dimensionen weiter verbessert werden. Die Arbeit wird erwartet, WSe₂'s realistische Anwendungen in all-optischen Modulatoren, mehrdimensional abstimmbaren optischen Geräten etc. zu fördern.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

DFB:

Verteilter Rückkopplungslaser; REM Rasterelektronenmikroskopie

MF:

Mikrofaser

MKR:

Mikrofaser-Knotenresonator

n_eff:

Effektiver Brechungsindex

n_r:

Brechungsindex

SPF:

Seitenpolierte Faser

TMDs:

Übergangsmetall-Dichalkogenide

TOP:

Transmittierte optische Leistung