Sintonización totalmente óptica de la luz en microfibra recubierta con WSe2

Resumen

El diselenuro de tungsteno (WSe ₂ ) ha atraído un interés considerable debido a sus aplicaciones versátiles, como uniones p-n, transistores, láseres de fibra, espintrónica y conversión de energía solar en electricidad. Demostramos la sintonización totalmente óptica de la luz en WSe ₂ microfibra recubierta (MF) con WSe ₂ Amplio ancho de banda de absorción y efecto termoóptico. La potencia óptica transmitida (TOP) se puede ajustar utilizando láseres de bomba de incidencia externa (405, 532 y 660 nm). La sensibilidad bajo la excitación de la luz de la bomba de 405 nm es de 0,30 dB / mW. Se logra un tiempo de subida / bajada de ~ 15,3 / 16,9 ms bajo excitación de luz de bomba de 532 nm. Se realizan simulaciones teóricas para investigar el mecanismo de ajuste de TOP. Las ventajas de este dispositivo son su fácil fabricación, su control totalmente óptico, su alta sensibilidad y su rápida respuesta. El dispositivo sintonizable totalmente óptico propuesto tiene aplicaciones potenciales en circuitos totalmente ópticos, modulador totalmente óptico y dispositivos ópticos sintonizables multidimensionalmente, etc.

Introducción

La optoelectrónica, la fotónica y la microelectrónica son importantes e indispensables en los sistemas de telecomunicaciones modernos. Los dispositivos fotónicos compuestos de componentes ópticos de escala micro o nanométrica se desarrollan para lograr una estructura miniaturizada, una respuesta rápida y una alta sensibilidad [1]. Los dispositivos totalmente ópticos sintonizables se pueden aplicar en la comunicación óptica y el procesamiento de señales. Se ha informado sobre la luz de control de luz en fibra, pero sigue siendo un desafío mejorar el rendimiento, especialmente la sensibilidad de la potencia óptica transmitida (TOP) y el tiempo de respuesta. Una de las buenas formas de mejorar el rendimiento es utilizar los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) bidimensionales (2D), que se han utilizado ampliamente en las aplicaciones de sensores [2], dispositivos optoelectrónicos [3], transistores [4], absorbentes saturables [5] y dispositivos de memoria [6]. La modulación totalmente óptica se ha realizado con microfibras decoradas con grafeno (MF) [7], MF recubiertas de grafeno [8] y estructuras estéreo de grafeno-MF [9]. El ajuste de los dispositivos de MF se ha logrado cuando el MF está conectado a diferentes materiales, como cristal líquido [10], niobato de litio [11] y polímero [12]. Se ha realizado un resonador de nudos de microfibra sintonizable totalmente óptico (MKR) con su parte superior e inferior cubiertos por grafeno [13]. Recubrir la superficie lisa y sin pérdidas del MF con diferentes materiales 2D permite la funcionalidad de luz de control de luz del resonador MF y MF. Control totalmente óptico de la luz en WS ₂ Se ha informado de MKR recubierto con una tasa de variación de potencia transmitida de ~ 0,4 dB / mW bajo bomba violeta y un tiempo de respuesta de ~ 0,1 s [14]. Funcionalidad de luz de control de luz totalmente óptica de MKR recubierta con SnS ₂ también se ha realizado; la tasa de variación TOP con respecto a la luz violeta es ~ 0.22 dB / mW y el tiempo de respuesta es tan rápido como ~ 3.2 ms [15]. La PARTE SUPERIOR del MF envuelto con óxido de grafeno reducido fue manipulado por la bomba de luz violeta con una tasa de variación de ~ 0,21 dB / mW [16]. Todas las propiedades de control de luz de MoSe ₂ También se han investigado los MF revestidos; la sensibilidad SUPERIOR es ~ 0,165 dB / mW bajo luz de bomba violeta y el tiempo de subida de la respuesta transitoria es ~ 0,6 s [17]. La sensibilidad TOP y el tiempo de respuesta son propiedades importantes de los dispositivos MF. Para aplicaciones como la sintonización totalmente óptica y la modulación óptica, se requieren mejoras en la sensibilidad TOP y el tiempo de respuesta.

Como ejemplo típico de materiales TMD, diselenuro de tungsteno (WSe ₂ ) ha recibido un gran interés en la investigación y es un componente potencialmente importante para la electrónica y la optoelectrónica. WSe ₂ tiene un alto coeficiente de Seebeck, conductividad térmica ultrabaja y ambipolaridad, lo que lo convierte en un candidato atractivo para la electrónica flexible [18, 19]. Por ejemplo, el ajuste eléctrico de las uniones p-n se ha logrado basándose en la ambipolaridad de WSe ₂ [20]. Control eléctrico de generación de segundo armónico en un WSe ₂ Se ha informado que el transistor monocapa usa fuertes efectos de carga de excitones en WSe ₂ [21]. WSe ₂ tiene un elevado coeficiente de absorción en las regiones visible e infrarroja cercana, que se ha aprovechado para convertir la energía solar en electricidad [22]. En comparación con el sulfuro, el seleniuro es más estable y resistente a la oxidación en condiciones ambientales [23]. Además, WSe ₂ proporciona una alta movilidad intrínseca del agujero de 500 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , que es mucho más alto que el de MoS ₂ [24]. Usando esta propiedad de WSe ₂ , se han informado transistores de efecto de campo de tipo p y n de alta movilidad con WSe ₂ monocapa [25]. La monocapa WSe ₂ muestra una banda prohibida directa con una fuerte fotoluminiscencia [26]. Las propiedades de absorción saturable no lineal de WSe ₂ se han aplicado como absorbentes saturables en láseres de fibra [27]. El WSe ₂ muestra un gran potencial para el control totalmente óptico de la luz en WSe ₂ dispositivos de fibra basados en.

Los MF ópticos son conos de fibra óptica con un diámetro de varios a más de 10 μm. El MF se fabrica mediante un simple cono calentado por llama que estira la fibra con calor. Como resultado, el cono bicónico se forma, lo que constituye una plataforma para la interacción entre la luz guiada y el entorno y la conexión con otros componentes fibrizados [28]. El perfil MF se puede ajustar con precisión para adaptarse a diferentes aplicaciones mediante el control de la velocidad de tracción y el tiempo en el proceso de fabricación. El MF tiene las ventajas de grandes campos evanescentes, capacidad de configuración, baja pérdida óptica, estrecho confinamiento óptico y excelente flexibilidad mecánica [29]. El estrecho confinamiento óptico de MF proporciona un enfoque prometedor para los circuitos ópticos de tamaño reducido y el efecto óptico no lineal de bajo umbral. Se puede obtener una interacción fuerte y rápida entre la luz guiada y el entorno en base a fuertes campos evanescentes de MF. Esta propiedad de MF se ha aprovechado para la detección óptica con diferentes configuraciones, como rejillas de fibra inscritas en MF [30], MF funcionalizado en superficie [31] e interferómetro Mach-Zehnder [32, 33]. La fuerte interacción luz-materia proporcionada por MF también se ha aplicado para realizar modulador totalmente óptico, láseres de fibra ultrarrápidos [34, 35] y funcionalidad de sintonización y control de luz.

En este artículo, empleamos el ancho de banda de absorción amplio y el efecto termoóptico de WSe ₂ para lograr un ajuste totalmente óptico de la luz en WSe ₂ revestido MF. Para realizar un ajuste totalmente óptico, se utiliza la luz de bombeo externa con longitudes de onda de 405, 532 y 660 nm para irradiar el MF. Empleando la interacción entre la luz de la bomba externa y WSe ₂ , se realiza un cambio de índice efectivo y posteriormente induce una variación de potencia de salida. La sensibilidad TOP medida es de 0,30 dB / mW bajo excitación de luz de bomba de 405 nm. Se investigan el cambio de temperatura inducido por láser de la bomba externa y la respuesta del dispositivo. Se realizan simulaciones teóricas para verificar el mecanismo de ajuste de TOP.

Métodos

La concentración de WSe ₂ La dispersión fue de 1 mg / ml, que se obtuvo mediante el método de exfoliación líquida. Para obtener WSe ₂ nanohojas con distribución uniforme, tratamiento ultrasónico del WSe ₂ Se realizaron dispersiones durante ~ 30 min. Para caracterizar el WSe ₂ Se midieron nanohojas, espectro de absorción Raman y UV-VIS. El espectro Raman de WSe ₂ Las nanohojas excitadas por un láser de 488 nm se muestran en la Fig. 1a. El WSe ₂ Las nanohojas muestran solo un modo vibratorio fuerte alrededor de 252,2 cm ^–1 , que es el resultado de la degeneración del E _2g y A _1g modos. Aparecerá un pico Raman adicional a 5–11 cm ⁻¹ cuando el WSe ₂ los copos son más delgados que cuatro capas [36]. El espectro de absorción de WSe ₂ Las nanohojas medidas por un espectrofotómetro UV-VIS (UV-2600, SHIMADZU) se muestran en la Fig. 1b. En el rango de longitud de onda de 300 a 700 nm, el WSe ₂ las nanohojas tienen absorción. De 400 a 700 nm, la absorción disminuye con la longitud de onda. Se compara la absorción a tres longitudes de onda 405, 532 y 660 nm, como se muestra en la Fig. 1b.

un Espectro Raman de WSe ₂ . b Espectro de absorción de WSe ₂

El MF se fabricó mediante la técnica de "cepillado con llama". El MF se obtuvo estirando un trozo de fibra monomodo estándar de Corning Inc. a una velocidad de ~ 0,2 mm / s, calentada por una llama. Para realizar el control totalmente óptico de la luz en WSe ₂ -revestido MF, se requiere cintura adecuada del MF. Una cintura MF más pequeña permite una interacción más fuerte entre la luz y WSe ₂ , pero el TOP puede ser demasiado débil para ser detectado ya que la pérdida es grande. La Figura 2a muestra el MF fabricado con un diámetro de ∼ 9.5 μm en la región de cintura uniforme. El recuadro de la Fig. 2a es la imagen microscópica del MF con un láser de 650 nm lanzado en la entrada. El diámetro del MF se midió utilizando un microscopio óptico (microscopio Zeiss Axio Scope A1). Como se muestra en la Fig. 2b, la región de la cintura del MF tiene una longitud de ∼ 6 mm y un diámetro de ∼ 9,5 µm. La longitud total del MF es ∼ 25 mm.

un Imagen microscópica del MF fabricado. b Característica morfológica de MF

El siguiente paso fue la deposición del WSe ₂ nanohojas en el MF. Antes de la deposición, el MF se fijó a un recipiente de vidrio (20 mm x 5 mm x 1 mm) que estaba hecho de vidrio y adhesivo UV (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific). Después de eso, el WSe ₂ La dispersión se vertió sobre el MF usando una pipeta. La PARTE SUPERIOR de MF durante el proceso de deposición se controló utilizando un láser de retroalimentación distribuida (DFB) de 1550 nm. Como se muestra en la Fig. 3, antes de la deposición, el TOP es de aproximadamente - 10 dBm. Después de 5 minutos de deposición, el TOP desciende bruscamente a - 43 dBm. Luego, TOP aumenta a - 35 dBm después de 14 min. El TOP se vuelve estable a -37 dBm, lo que indica que la deposición se completó.

Variación de TOP en MF durante la deposición de WSe ₂

La imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) del MF recubierto con WSe ₂ nanosheets se muestra en la Fig. 4. La Figura 4 a muestra el WSe ₂ nanohojas precipitan en el MF con un diámetro de ~ 9,5 μm, y su imagen ampliada se muestra en el recuadro de la Fig. 4a. La vista en sección transversal del MF recubierto con WSe ₂ nanohojas se muestra en la Fig. 4b. El recuadro de la Fig. 4b muestra que el espesor de WSe ₂ depositado nanohojas es ~ 150 nm.

un Imagen SEM del MF recubierto con WSe ₂ . b Vista en sección transversal del MF recubierto con WSe ₂ nanohojas

Para investigar la absorción de luz del WSe ₂ película, guía de luz en el WSe ₂ El MF recubierto se simuló mediante el método de elementos finitos en COMSOL. En el modelo, un WSe ₂ de 150 nm La capa se envuelve alrededor de ~ 9.5 μm MF. Los índices de refracción de MF y WSe ₂ nanohojas son 1,46 y 2,64 + 0,2i [37], respectivamente. La ventana de cálculo es de 20 μm × 20 μm y el tamaño de malla es de 50 nm. La longitud de onda se fijó en 1550 nm. Las distribuciones de campo de modo de MF y WSe ₂ Se calcularon los MF revestidos. La Figura 5a muestra la distribución de modo 2D a 1550 nm. El índice efectivo del modo en el MF con el WSe ₂ La capa correspondiente a la Fig. 5a es 1.4567–2.04 × 10 ⁻³ i, que indica WSe ₂ Absorción. La distribución del campo radial del MF y WSe desnudos ₂ MF revestido a lo largo de la línea de trazos blancos de la Fig. 5a se representa en la Fig. 5b. La distribución del campo radial tiene la misma intensidad máxima a ~ 0 μm. En la imagen ampliada de la Fig. 5b, la distribución de campo de WSe ₂ -recubierto MF muestra una variación abrupta como resultado de la discontinuidad del índice.

un Distribución de campo 2D del modo de guía simulado en WSe ₂ -revestido MF. b Distribución del campo radial del MF y WSe desnudos ₂ -recubierto MF, y el recuadro muestra una imagen ampliada del campo en la superficie MF

El control totalmente óptico de la luz en WSe ₂ El MF recubierto se caracteriza mediante la configuración experimental que se muestra en la Fig. 6. El láser DFB de 1550 nm (SOF-155-D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) se conecta a la entrada del dispositivo, y la salida es monitoreada por el medidor de potencia óptica. Los láseres de 405, 532 y 660 nm se utilizan para bombas externas. El MF recubierto con WSe ₂ es irradiado por los láseres que se colocan ~ 10 cm por encima de la muestra. En primer lugar, el TOP de MF sin WSe ₂ se mide con esta configuración experimental.

Configuración experimental para medir la PARTE SUPERIOR del dispositivo bajo iluminación de luz láser externa

Resultados y discusión

La Figura 7a-c muestra la variación de potencia relativa para varias potencias de bombeo de los láseres de 405, 532 y 660 nm, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 7a, los cambios de TOP del MF desnudo son menores de 0.03 dB bajo irradiación láser de 405 nm. Se obtienen resultados similares para los láseres de 532 y 660 nm. Las variaciones TOP son menores que 0.02 y 0.03 dB para los láseres de 532 y 660 nm, respectivamente.

TOP cambia con diferentes potencias de bomba en a Láser de 405 nm, b Láser de 532 nm y c Iluminación láser de 660 nm

Luego, la PARTE SUPERIOR del MF recubierta con WSe ₂ nanosheets se mide con diferentes potencias de bombeo. Los experimentos se realizan con la potencia del láser de 405 nm (violeta) (LSR405NL, Lasever Inc.) que varía de 0 a 13,3 mW. La Figura 8 a traza la variación de potencia relativa del MF recubierto con WSe ₂ nanohojas con iluminación láser de 405 nm. El TOP aumenta con la potencia de la bomba. Cuando la potencia de bombeo del láser de 405 nm aumenta de 0 a 13,3 mW, la variación TOP es de 4,2 dB. La variación TOP también es de 4,2 dB cuando la potencia del láser de 405 m disminuye de 13,3 a 0 mW. Para analizar la relación entre el TOP y la potencia del láser de 405 nm, se extraen los valores medios del TOP para los diferentes pasos de la potencia de la bomba en la Fig. 8a. El cambio de TOP con la potencia de la luz de la bomba se muestra en la Fig. 8b. La sensibilidad de la variación TOP a la potencia de la bomba está determinada por la pendiente de la curva de ajuste lineal. Se obtiene una sensibilidad de 0,30 dB / mW tanto para el aumento de la potencia violeta como para la disminución de la potencia violeta, verificando que el control totalmente óptico de la luz tiene una buena repetibilidad y estabilidad. El control totalmente óptico de la luz del MF recubierto con Wse ₂ nanohojas se analiza con los láseres de 532 y 660 nm. La Figura 8c presenta la variación TOP cuando la potencia del láser de 532 nm (verde) aumenta de 0 a 13,3 mW. El TOP cambia con la potencia del láser verde. Las variaciones de potencia relativas son 3,2 dB tanto para el aumento de la potencia de la bomba (de 0 a 13,3 mW) como para la disminución de la potencia de la bomba (de 13,3 a 0 mW). La variación SUPERIOR para diferentes potencias de luz de la bomba se representa en la Fig. 8d. Las sensibilidades son 0,23 dB / mW tanto para los procesos de aumento como de disminución. Se obtienen resultados similares para la bomba láser de 660 nm (roja). Como se muestra en la Fig. 8e, el TOP aumenta en 2.9 dB cuando la potencia del láser rojo aumenta de 0 a 17.0 mW, y el cambio de potencia es el mismo para el proceso de disminución. Las sensibilidades bajo la iluminación láser roja se obtienen de la Fig. 8f, que son 0,16 dB / mW tanto para el aumento de la potencia de la bomba (de 0 a 17,0 mW) como para la disminución de la potencia de la bomba (de 17,0 a 0 mW). En la Fig. 8b, dyf para la sintonización totalmente óptica, la linealidad es diferente. Durante el proceso de aumento de potencia, el R ² los valores son 0.907, 0.976 y 0.984 para los láseres violeta, verde y rojo, respectivamente. La R ² Se obtienen valores de 0.915, 0.977 y 0.991 en el proceso de disminución de potencia para los láseres violeta, verde y rojo, respectivamente. Aquí, el láser violeta proporciona una mejor sensibilidad pero la linealidad del láser rojo es mejor. Sin embargo, para el control totalmente óptico de la luz en MoSe _2- recubierto de MF, la luz de 980 nm tiene mejor linealidad y sensibilidad que la luz de 405 nm [17]. Por lo tanto, no existe una relación consistente entre linealidad y sensibilidad para diferentes dispositivos bajo diferentes láseres de bomba. Creemos que la linealidad y la sensibilidad están relacionadas con el material 2D, el método de deposición, la estructura de la fibra y la estabilidad de la luz de la bomba.

un Variación SUPERIOR con diferentes potencias de láser de 405 nm. b Variación TOP versus potencia de luz de la bomba de 405 nm. c Variación SUPERIOR con diferentes potencias de láser de 532 nm. d Variación TOP versus potencia de luz de la bomba de 532 nm. e Variación SUPERIOR con diferentes potencias de láser de 660 nm. f Variación SUPERIOR en comparación con la potencia de la luz de la bomba de 660 nm

Cabe señalar que la temperatura del MF recubierto con WSe ₂ cambia bajo iluminación láser. La temperatura se registra mediante un termopar cuando cambia la potencia de la bomba. La Figura 9a muestra el cambio de temperatura para varias potencias de bomba violeta. La temperatura aumenta con la potencia de la bomba. La temperatura aumenta de 21,6 a 28,1 ° C cuando la potencia de la bomba violeta aumenta de 0 a 13,3 mW. Cuando la potencia de la bomba violeta disminuye de 13,3 a 0 mW, la temperatura desciende de 28,1 a 22,0 ° C. Las variaciones de temperatura también se controlan para los láseres de bomba verde y rojo. Como se muestra en la Fig. 9b, aumentar y disminuir las potencias del láser verde en el rango de 0 a 13,3 mW puede inducir variaciones de temperatura de 6,7 ° C y 6,1 ° C, respectivamente. La Figura 9c muestra la variación de temperatura bajo la bomba de láser rojo, que tiene la misma tendencia variable. La temperatura cambia entre 7,1 ° C y 7,0 ° C cuando la potencia de la bomba roja varía entre 0 y 17,0 mW. La temperatura en función de la potencia de la bomba se representa en la Fig. 10. Como se muestra en la Fig. 10a, el ajuste lineal de la variación de temperatura da sensibilidades de 0,46 ° C / mW y 0,44 ° C / mW para aumentar y disminuir la potencia de la bomba violeta. , respectivamente. La Figura 10b muestra las sensibilidades a la temperatura que son 0,44 ° C / mW y 0,41 ° C / mW para aumentar y disminuir la potencia de la bomba verde, respectivamente. Para el proceso de aumento y disminución de la potencia de la bomba roja, las sensibilidades a la temperatura se miden en 0,41 ° C / mW. Los resultados indican el WSe ₂ pueden considerarse como calentadores eficientes y compactos para control totalmente óptico y sintonización termoóptica [38]. Para investigar la influencia de la temperatura ambiente en el rendimiento del dispositivo, el MF recubierto con WSe ₂ Las nanohojas se colocan en una placa vitrocerámica (CHP – 250DF, AS ONE) para la medición SUPERIOR. Como se muestra en la Fig. 11a, las variaciones TOP son menores que 0.03 dB cuando la temperatura de la cámara se cambia de 22 a 30 ° C. Los resultados que verifican que este dispositivo es insensible a la temperatura ambiente. Como se muestra en la Fig. 11a, las variaciones TOP son menores que 0.03 dB cuando la temperatura de la cámara se cambia de 22 a 30 ° C. Los resultados que verifican que este dispositivo es insensible a la temperatura ambiente. Este dispositivo es relativamente estable cuando se usa a alta temperatura para sintonización totalmente óptica. Como se muestra en la Fig. 11b, cuando la temperatura aumenta de 70 a 100 ° C lentamente, las variaciones TOP son menores a 0,55 dB.

Temperatura del MF recubierto con WSe ₂ nanohojas para diferentes a potencia de bomba violeta, b potencia de la bomba verde y c potencia de la bomba roja

Temperatura en función de la potencia de la bomba para a láser violeta, b láser verde y c láser rojo

SUPERIOR del MF recubierto con WSe ₂ nanohojas debajo de a temperatura ambiente diferente y b alta temperatura

La respuesta transitoria del MF recubierto con WSe ₂ Las nanohojas se miden utilizando la configuración experimental que se muestra en la Fig. 12. El láser de 1550 nm se conecta a la entrada del MF. Las salidas de los láseres violeta, verde y rojo se modulan mediante un generador de señales (AFG 3102, Tektronix). La salida del generador de señales es una onda cuadrada. Un fotodetector (Modelo 1811, New Focus) y un osciloscopio (DS1052E, RIGOL) se utilizan para monitorear la salida del MF. La Figura 13 a – c muestra la respuesta monitoreada por el osciloscopio bajo iluminación láser violeta, verde y roja, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 13a, las potencias de la bomba violeta son 16,8, 20,3 y 22,8 mW para la medición del tiempo de respuesta. El tiempo de subida y bajada se mide en 17,9 y 18,4 ms para el láser violeta, respectivamente. Para la iluminación láser verde, las potencias de la bomba son 8.3, 13.7 y 20.0 mW, como se muestra en la Fig. 13b. Los tiempos de subida y bajada se miden en 15,3 y 16,9 ms para el láser verde, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 13c, bajo iluminación láser roja con potencias de bombeo de 10,7, 16,8 y 20,5 mW, el tiempo de subida y el tiempo de caída son 16,9 y 18,3 ms, respectivamente.

Configuración experimental de la medición de la respuesta transitoria

Tiempo de respuesta del MF recubierto con WSe ₂ nanohojas con una longitud de onda de luz de bombeo de a iluminación láser violeta, b iluminación láser verde y c iluminación láser roja

La sensibilidad de ajuste de TOP es diferente para los láseres de bomba violeta, verde y rojo. Esto se debe a que la absorción es mucho más fuerte en longitudes de onda más cortas, como se muestra en la Fig. 1b. El control totalmente óptico de TOP se debe a la combinación de efecto termoóptico y portadores generados por fotones en MF con WSe ₂ . La interacción entre la luz de la bomba externa y WSe ₂ induce un cambio de índice efectivo de WSe ₂ . El WSe ₂ las nanohojas absorben la luz láser de la bomba. La temperatura de MF con WSe ₂ aumenta con la potencia de la bomba, como se muestra en las Figs. 9 y 10. La parte real del índice de refracción ( n _r ) de WSe ₂ disminuye cuando la temperatura del MF con WSe ₂ aumenta [39]. El n _r también disminuye debido al aumento de las concentraciones de portador que está relacionado con la conductividad de WSe ₂ nanohojas [40]. Como resultado, el índice de refracción efectivo ( n _ef ) de modos guiados en MF recubiertos con WSe ₂ se varía mediante iluminación láser externa. Los portadores generados por fotones también conducen a una variación del índice de WSe ₂ y cambio de n _ef [38]. Por lo tanto, el TOP se puede cambiar con láseres de bomba externos. Utilizando el método de elementos finitos, se realizan simulaciones para investigar los mecanismos de ajuste TOP. Como se muestra en la Fig. 14a, la parte real de n _ef aumenta con n _r . La parte real de n _ef aumenta de 1.4559 a 1.4567 con n _r variando de 2,44 a 2,64 [41, 42]. La distribución del campo eléctrico del modo con n _ef de 1.4559 se muestra en el recuadro de la Fig. 14a. Variación de n _r proporciona distribuciones de campo eléctrico de modo diferente. Integrando la distribución del campo eléctrico de toda la sección transversal, se calcula la energía eléctrica de salida. Como se muestra en la Fig. 14b, la energía eléctrica de salida disminuye con n _r de 2,44 a 2,64 con una tasa de 1,76 × 10 ⁷ W / m. ² Por lo tanto, la potencia de salida aumenta con la potencia de la bomba externa. Los resultados de la simulación concuerdan bien con los resultados experimentales. Para investigar el impacto de WSe ₂ número de capa en el rendimiento del dispositivo, las simulaciones se realizaron mediante el método de elementos finitos en COMSOL. El grosor del WSe de cuatro capas ₂ nanohoja es de 2,8 nm y el índice de refracción correspondiente de WSe ₂ es 3,7 + 0,2i [43]. El ajuste lineal de la parte real de n _ef versus n _r se muestra en la Fig. 15a. La parte real de n _ef aumenta con n _r cuando varía de 3,50 a 3,70. La distribución del campo eléctrico del modo para n _ef de 1.4550619 se muestra en el recuadro de la Fig. 15a, que es circularmente simétrica. En comparación, la distribución del campo eléctrico del modo en la Fig. 14a es asimétrica ya que la luz es absorbida por el WSe ₂ de 150 nm. nanohoja. La energía eléctrica de salida disminuye cuando n _r aumenta de 3,50 a 3,70 con una tasa de 1,41 × 10 ⁴ W / m ² , como se muestra en la Fig. 15b. La tasa de variación de energía eléctrica de salida de 150 nm WSe ₂ La nanohoja es mucho más grande que la del WSe ₂ de 2,8 nm. nanohoja, que indica la WSe ₂ gruesa nanohoja proporciona un mejor rendimiento para el ajuste totalmente óptico.

un El modo parte real de n _ef en función de n _r para WSe ₂ de 150 nm nanohoja. Y el recuadro es la distribución del campo eléctrico del modo con n _ef de 1.4559. b Dependencia de la energía eléctrica de salida en n _r para WSe ₂ de 150 nm nanohoja

un El modo parte real de n _ef versus n _r para el WSe de cuatro capas ₂ nanohoja. Y el recuadro es la distribución del campo eléctrico del modo con n _ef de 1.4550619. b Dependencia de la energía eléctrica de salida en n _r para el WSe de cuatro capas ₂ nanohoja

El dominio de tiempo de diferencia finita 3D (FDTD) (solución FDTD numérica) se utilizó para calcular la potencia de salida del MF superpuesto con WSe ₂ . El esquema de la configuración del dispositivo para el cálculo de la potencia de salida se muestra en la Fig. 16a. En el modelo, el grosor de WSe ₂ capa, el diámetro de MF y el índice de refracción de MF se establecieron en 150 nm, 9,5 µm y 1,46, respectivamente. La longitud del MF se establece en 10 μm para el cálculo cualitativo. La x , años y z direcciones tienen una resolución de cuadrícula de 10 nm. La distribución del campo eléctrico en x - z corte transversal plano en y =0 μm se muestra en la Fig. 16b. La transmisión calculada se muestra en la Fig. 17. Como se muestra en la Fig. 17a, la transmisión del MF disminuye con n _r , y la tendencia de variación es consistente con los resultados obtenidos con COMSOL. Las pérdidas son 10,80 y 10,94 dB / mm para n _r =2,44 y n _r =2,64, respectivamente. Luego, se calculó la transmisión de MF para longitudes de onda de 1530 a 1570 nm con un índice de refracción de WSe ₂ nanohoja fijada en 2,64 + 0,2i. Como se muestra en la figura 17b, la transmisión disminuye con la longitud de onda. La pérdida varió de 10,58 a 10,85 dB / mm cuando la longitud de onda cambió de 1530 a 1570 nm.

un El esquema de la configuración del dispositivo para el cálculo con 3D FDTD. b La distribución del campo eléctrico en x - z sección transversal plana

Transmisión calculada en función de a n _r y b longitud de onda

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.

Conclusiones

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.