Control preciso totalmente óptico de la transmisión de luz en microfibras recubiertas con WSe₂

Resumen

El diseleniuro de tungsteno (WSe₂) ha atraído considerable interés debido a sus aplicaciones versátiles, como uniones p-n, transistores, láseres de fibra, espintrónica y conversión de energía solar en electricidad. Demostramos ajuste totalmente óptico de la luz en microfibra (MF) recubierta con WSe₂ usando el ancho de banda de absorción amplio y el efecto termo-óptico del WSe₂. La potencia óptica transmitida (TOP) puede ajustarse usando láseres de bombeo externos de incidencia (405, 532 y 660 nm). La sensibilidad bajo excitación con luz de bombeo de 405 nm es 0.30 dB/mW. Se logra un tiempo de subida/bajada de ~15.3/16.9 ms bajo excitación con luz de bombeo de 532 nm. Se realizan simulaciones teóricas para investigar el mecanismo de ajuste de TOP. Las ventajas de este dispositivo son fácil fabricación, control totalmente óptico, alta sensibilidad y respuesta rápida. El dispositivo ajustable totalmente óptico propuesto tiene aplicaciones potenciales en circuitos totalmente ópticos, modulador totalmente óptico y dispositivos ópticos ajustables multidimensionalmente, etc.

Introducción

La optoelectrónica, fotónica y microelectrónica son importantes e indispensables en los sistemas de telecomunicación modernos. Los dispositivos fotónicos compuestos por componentes ópticos a micro o nanoescala se desarrollan para lograr estructura miniaturizada, respuesta rápida y alta sensibilidad [1]. Los dispositivos ajustables totalmente ópticos pueden aplicarse en comunicaciones ópticas y procesamiento de señales. El control luz-luz en fibra se ha reportado, pero sigue siendo un desafío mejorar el rendimiento, especialmente la sensibilidad de la potencia óptica transmitida (TOP) y el tiempo de respuesta. Una buena forma de mejorar el rendimiento es usar dicalcogenuros de metales de transición bidimensionales (TMDs), que se han usado extensivamente en 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 microfibra (MF) decorada con grafeno [7], MF cubierta con grafeno [8] y estructuras estereográficas grafeno-MF [9]. El ajuste de dispositivos MF se ha logrado cuando la MF se conecta a diferentes materiales, como cristal líquido [10], niobato de litio [11] y polímero [12]. El resonador de nudo de microfibra (MKR) totalmente óptico ajustable con su parte superior e inferior cubiertas de grafeno se ha realizado [13]. El control totalmente óptico de la luz en MKR recubierto con WS₂ se ha reportado con una tasa de variación de potencia transmitida de ~0.4 dB/mW bajo bombeo violeta y tiempo de respuesta de ~0.1 s [14]. La funcionalidad luz-controla-luz de MKR recubierto con SnS₂ también se ha realizado; la tasa de variación de TOP respecto a luz violeta es ~0.22 dB/mW y el tiempo de respuesta es tan rápido como ~3.2 ms [15]. La TOP de la MF envuelta con óxido de grafeno reducido fue manipulada por luz de bombeo violeta con una tasa de variación de ~0.21 dB/mW [16]. Las propiedades de control luz-luz de MF recubierta con MoSe₂ también se han investigado; la sensibilidad de TOP es ~0.165 dB/mW bajo luz de bombeo violeta y el tiempo de subida de la respuesta transitoria es ~0.6 s [17]. La sensibilidad de TOP y el tiempo de respuesta son propiedades importantes de los dispositivos MF. Para aplicaciones como ajuste totalmente óptico y modulación óptica, se requieren mejoras en la sensibilidad y tiempo de respuesta de TOP.

Como ejemplo típico de materiales TMDs, el diseleniuro de tungsteno (WSe₂) ha recibido gran interés de investigación y es potencialmente bloques de construcción importantes para electrónica y optoelectrónica. WSe₂ tiene alto coeficiente Seebeck, conductividad térmica ultra baja y ambipolaridad, lo que lo hace candidato atractivo para electrónica flexible [18, 19]. Por ejemplo, el ajuste eléctrico de uniones p-n se ha logrado basado en ambipolaridad de WSe₂ [20]. El control eléctrico de generación de segundo armónico en un transistor de monocapa WSe₂ se ha reportado usando efectos fuertes de carga de excitón en WSe₂ [21]. WSe₂ tiene gran coeficiente de absorción en regiones visible e infrarrojo cercano, explotado en conversión de energía solar en electricidad [22]. Comparado con el sulfuro, el seleniuro es más estable y resistente a la oxidación en condiciones ambientales [23]. Además, WSe₂ proporciona una alta movilidad de huecos intrínseca de 500 cm² V⁻¹ s⁻¹, mucho mayor que MoS₂ [24]. Usando esta propiedad de WSe₂, transistores de efecto de campo tipo p y n de alta movilidad se han reportado con monocapa WSe₂ [25]. La monocapa WSe₂ muestra banda prohibida directa con fotoluminiscencia fuerte [26]. Las propiedades de absorción saturable no lineal de WSe₂ se han aplicado como absorbentes saturables en láseres de fibra [27]. El WSe₂ muestra gran potencial para control totalmente óptico de la luz en dispositivos de fibra basados en WSe₂.

Las MFs ópticas son tapers de fibra óptica con diámetro de varios a más de 10 µm. La MF se fabrica por simple estirado de taper calentado con llama de la fibra bajo calor. Como resultado, se forma el taper biconico proporcionando una plataforma para interacción entre la luz guiada y el entorno y conexión a otros componentes fibra. El perfil de MF puede ajustarse finamente para diferentes aplicaciones controlando la velocidad y tiempo de estirado en el proceso de fabricación. La MF tiene ventajas de grandes campos evanescentes, configurabilidad, baja pérdida óptica, confinamiento óptico estrecho y flexibilidad mecánica excepcional [29]. El confinamiento óptico estrecho de MF proporciona un enfoque prometedor para circuitos ópticos de huella pequeña y efecto óptico no lineal de umbral bajo. La interacción fuerte y rápida entre la luz guiada y el entorno puede obtenerse basada en los fuertes campos evanescentes de MF. Esta propiedad de MF se ha explotado para sensado óptico con diferentes configuraciones, como rejillas de fibra inscritas en MF [30], MF funcionalizada de 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 ajuste y control luz-luz.

En este artículo, empleamos el ancho de banda de absorción amplio y efecto termo-óptico de WSe₂ para lograr ajuste totalmente óptico de la luz en MF recubierta con WSe₂. Para realizar control totalmente óptico, la luz de bombeo externa con longitudes de onda de 405, 532 y 660 nm se usa para irradiar la MF. Empleando la interacción entre la luz de bombeo externa y WSe₂, se realiza cambio de índice efectivo y posteriormente induce variación de potencia de salida. La sensibilidad TOP medida es 0.30 dB/mW bajo excitación con luz de bombeo de 405 nm. Se investigan el cambio de temperatura inducido por láser de bombeo externo y la respuesta del dispositivo. Se realizan simulaciones teóricas para verificar el mecanismo de ajuste de TOP.

Métodos

La concentración de dispersiones de WSe₂ fue 1 mg/ml, obtenida mediante método de exfoliación líquida. Para obtener nanoflakes de WSe₂ con distribución uniforme, se realizó tratamiento ultrasónico de las dispersiones de WSe₂ por ~30 min. Para caracterizar los nanoflakes de WSe₂, se midieron espectros Raman y UV-VIS de absorción. El espectro Raman de nanoflakes de WSe₂ excitado por láser de 488 nm se muestra en Fig. 1a. Los nanoflakes de WSe₂ muestran solo un modo vibracional fuerte alrededor de 252.2 cm⁻¹, resultado de la degeneración de los modos E₂g y A₁g. Un pico Raman adicional aparecerá a 5–11 cm⁻¹ cuando los flakes de WSe₂ sean más delgados que cuatro capas [36]. El espectro de absorción de nanoflakes de WSe₂ medido por espectrofotómetro UV-VIS (UV-2600, SHIMADZU) se muestra en Fig. 1b. En el rango de longitud de onda de 300 a 700 nm, los nanoflakes de WSe₂ tienen absorción. De 400 a 700 nm, la absorción disminuye con la longitud de onda. La absorción en tres longitudes de onda 405, 532 y 660 nm se compara, como se muestra en Fig. 1b.

a Espectro Raman de WSe₂. b Espectro de absorción de WSe₂

La MF se fabricó usando la técnica de "cepillado con llama". La 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 control totalmente óptico de la luz en MF recubierta con WSe₂, se requiere una cintura de MF apropiada. Una cintura de MF más pequeña permite interacción más fuerte entre luz y WSe₂, pero la TOP podría ser demasiado débil para detectarse ya que la pérdida es grande. La Figura 2a muestra la MF fabricada con diámetro de ~9.5 µm en la región de cintura uniforme. El recuadro de la Fig. 2a es la imagen microscópica de la MF con láser de 650 nm lanzado en la entrada. El diámetro de la MF se midió usando un microscopio óptico (Zeiss Axio Scope A1). Como se muestra en Fig. 2b, la región de cintura de la MF tiene una longitud de ~6 mm y un diámetro de ~9.5 µm. La longitud total de la MF es ~25 mm.

a Imagen microscópica de la MF fabricada. b Características morfológicas de MF

El siguiente paso fue la deposición de nanoflakes de WSe₂ sobre la MF. Antes de la deposición, la MF se fijó a una cubeta de vidrio (20 mm × 5 mm × 1 mm) hecha de vidrio y adhesivo UV (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific). Después, la dispersión de WSe₂ se gotearon sobre la MF usando una pipeta. La TOP de la MF durante el proceso de deposición se monitoreó usando un láser DFB (distributed feedback) de 1550 nm. Como se muestra en Fig. 3, antes de la deposición, la TOP es aproximadamente −10 dBm. Después de 5 min de deposición, la TOP disminuye bruscamente a −43 dBm. Luego la TOP aumenta a −35 dBm después de 14 min. La TOP se estabiliza en −37 dBm, indicando que la deposición se completó.

Variación de TOP en MF durante la deposición de WSe₂

La imagen de microscopía electrónica de barrido (SEM) de la MF recubierta con nanoflakes de WSe₂ se muestra en Fig. 4. La Figura 4a muestra los nanoflakes de WSe₂ precipitados en la MF con diámetro de ~9.5 µm, y su imagen ampliada se muestra en el recuadro de Fig. 4a. La vista de sección transversal de la MF recubierta con nanoflakes de WSe₂ se muestra en Fig. 4b. El recuadro de Fig. 4b muestra que el espesor de nanoflakes de WSe₂ depositados es ~150 nm.

a Imagen SEM de la MF recubierta con WSe₂. b Vista de sección transversal de la MF recubierta con nanoflakes de WSe₂

Para investigar la absorción de luz de la película de WSe₂, la guía de luz en la MF recubierta con WSe₂ se simuló por método de elementos finitos en COMSOL. En el modelo, una capa de 150 nm de WSe₂ se envuelve alrededor de la MF de ~9.5 µm. Los índices de refracción de la MF y nanoflake de WSe₂ son 1.46 y 2.64 + 0.2i [37], respectivamente. La ventana de cálculo es 20 µm × 20 µm y el tamaño de malla es 50 nm. La longitud de onda se fijó en 1550 nm. Se calcularon las distribuciones de campo de modo de la MF y la MF recubierta con WSe₂. La Figura 5a muestra la distribución de modo 2D a 1550 nm. El índice efectivo del modo en la MF con la capa de WSe₂ correspondiente a Fig. 5a es 1.4567–2.04 × 10⁻³ i, indicando absorción de WSe₂. La distribución de campo radial de la MF desnuda y MF recubierta con WSe₂ a lo largo de la línea discontinua blanca de Fig. 5a se traza en Fig. 5b. La distribución de campo radial tiene la misma intensidad de pico en ~0 µm. En la imagen ampliada de Fig. 5b, la distribución de campo de MF recubierta con WSe₂ muestra una variación abrupta como resultado de discontinuidad de índice.

a Distribución de campo 2D del modo guiado simulado en MF recubierta con WSe₂. b Distribución de campo radial de la MF desnuda y MF recubierta con WSe₂, y el recuadro muestra una imagen ampliada del campo en la superficie de la MF

El control totalmente óptico de la luz en MF recubierta con WSe₂ se caracteriza usando el dispositivo experimental mostrado en 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 se monitorea con el medidor de potencia óptica. Los láseres de 405, 532 y 660 nm se usan para bombeo externo. La MF recubierta con WSe₂ es irradiada por los láseres colocados ~10 cm sobre la muestra. Primero, la TOP de MF sin WSe₂ se mide usando este dispositivo experimental.

Configuración experimental para medir TOP del dispositivo bajo iluminación de láser externo

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 Fig. 7a, los cambios de TOP de la MF desnuda son menores de 0.03 dB bajo irradiación de láser de 405 nm. Resultados similares se obtienen para los láseres de 532 y 660 nm. Las variaciones de TOP son menores de 0.02 y 0.03 dB para los láseres de 532 y 660 nm, respectivamente.

Cambios de TOP con diferentes potencias de bombeo bajo a láser 405 nm, b láser 532 nm y c láser 660 nm

Luego se midió la TOP de la MF recubierta con nanoflakes de WSe₂ bajo diferentes potencias de bombeo. Los experimentos se realizan con el láser de 405 nm (violeta) con potencia (LSR405NL, Lasever Inc.) variando de 0 a 13.3 mW. La Figura 8a traza la variación de potencia relativa de la MF recubierta con nanoflakes de WSe₂ bajo iluminación de láser de 405 nm. La TOP aumenta con la potencia de bombeo. Cuando la potencia del láser de 405 nm aumenta de 0 a 13.3 mW, la variación de TOP es 4.2 dB. La variación de TOP también es 4.2 dB cuando la potencia del láser de 405 nm disminuye de 13.3 a 0 mW. Para analizar la relación entre TOP y potencia del láser de 405 nm, se extraen los valores medios de TOP para diferentes pasos de potencia de bombeo en Fig. 8a. El cambio de TOP con potencia de luz de bombeo se muestra en Fig. 8b. La sensibilidad de variación de TOP a potencia de bombeo se determina por la pendiente de la curva de ajuste lineal. Se obtiene una sensibilidad de 0.30 dB/mW para ambos procesos de aumento y disminución de potencia violeta, verificando que el control totalmente óptico de la luz tiene buena repetibilidad y estabilidad. El control totalmente óptico de la luz de la MF recubierta con nanoflakes de WSe₂ se analiza con los láseres de 532 y 660 nm. La Figura 8c presenta la variación de TOP cuando la potencia del láser de 532 nm (verde) aumenta de 0 a 13.3 mW. La TOP cambia con la potencia del láser verde. Las variaciones de potencia relativa son 3.2 dB para ambos procesos de aumento de potencia de bombeo (de 0 a 13.3 mW) y disminución de potencia de bombeo (de 13.3 a 0 mW). La variación de TOP para diferente potencia de luz de bombeo se traza en Fig. 8d. Las sensibilidades son 0.23 dB/mW para ambos procesos de aumento y disminución. Resultados similares se obtienen para el láser de bombeo de 660 nm (rojo). Como se muestra en Fig. 8e, la 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 iluminación de láser rojo se obtienen de Fig. 8f, que son 0.16 dB/mW para ambos procesos de aumento de potencia de bombeo (de 0 a 17.0 mW) y disminución de potencia de bombeo (de 17.0 a 0 mW). En Fig. 8b, d y f para ajuste totalmente óptico, la linealidad es diferente. Durante el proceso de aumento de potencia, los valores R² son 0.907, 0.976 y 0.984 para láseres violeta, verde y rojo, respectivamente. Los valores R² de 0.915, 0.977 y 0.991 se obtienen en el proceso de disminución de potencia para láseres violeta, verde y rojo, respectivamente. Aquí, el láser violeta proporciona mejor sensibilidad pero la linealidad del láser rojo es mejor. Sin embargo, para control totalmente óptico de la luz en MF recubierta con MoSe₂, la luz de 980 nm tiene mejor linealidad y sensibilidad que la luz de 405 nm [17]. Por tanto, no hay relación consistente entre linealidad y sensibilidad para diferentes dispositivos bajo diferentes láseres de bombeo. Creemos que la linealidad y sensibilidad están relacionadas con el material 2D, el método de deposición, la estructura de fibra y la estabilidad de la luz de bombeo.

a Variación de TOP bajo diferente potencia de láser 405 nm. b Variación de TOP versus potencia de luz de bombeo 405 nm. c Variación de TOP bajo diferente potencia de láser 532 nm. d Variación de TOP versus potencia de luz de bombeo 532 nm. e Variación de TOP bajo diferente potencia de láser 660 nm. f Variación de TOP versus potencia de luz de bombeo 660 nm

Debe notarse que la temperatura de la MF recubierta con WSe₂ cambia bajo iluminación láser. La temperatura se registra con un termopar cuando cambia la potencia de bombeo. La Figura 9a muestra el cambio de temperatura para varias potencias de bombeo violeta. La temperatura aumenta con la potencia de bombeo. La temperatura aumenta de 21.6 a 28.1 °C cuando la potencia de bombeo violeta aumenta de 0 a 13.3 mW. Cuando la potencia de bombeo violeta disminuye de 13.3 a 0 mW, la temperatura disminuye de 28.1 a 22.0 °C. Las variaciones de temperatura también se monitorean para los láseres de bombeo verde y rojo. Como se muestra en 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 bombeo de láser rojo, que tiene la misma tendencia variable. La temperatura cambia en 7.1 °C y 7.0 °C cuando la potencia de bombeo rojo varía entre 0 y 17.0 mW. La temperatura como función de la potencia de bombeo se traza en Fig. 10. Como se muestra en Fig. 10a, el ajuste lineal de la variación de temperatura da sensibilidades de 0.46 °C/mW y 0.44 °C/mW para aumento y disminución de potencia de bombeo violeta, respectivamente. La Figura 10b muestra las sensibilidades de temperatura que son 0.44 °C/mW y 0.41 °C/mW para aumento y disminución de potencia de bombeo verde, respectivamente. Para el proceso de aumento y disminución de potencia de bombeo rojo, las sensibilidades de temperatura se miden en 0.41 °C/mW. Los resultados indican que el WSe₂ puede considerarse como calentadores eficientes y compactos para control totalmente óptico y ajuste termo-óptico [38]. Para investigar la influencia de la temperatura ambiente en el rendimiento del dispositivo, la MF recubierta con nanoflakes de WSe₂ se coloca sobre una placa caliente cerámica (CHP-250DF, AS ONE) para medición de TOP. Como se muestra en Fig. 11a, las variaciones de TOP son menores de 0.03 dB cuando la temperatura de la cámara cambia de 22 a 30 °C. Los resultados verifican que este dispositivo es insensible a la temperatura ambiente. Como se muestra en Fig. 11a, las variaciones de TOP son menores de 0.03 dB cuando la temperatura de la cámara cambia de 22 a 30 °C. Los resultados verifican que este dispositivo es insensible a la temperatura ambiente. Este dispositivo es relativamente estable cuando se usa a alta temperatura para ajuste totalmente óptico. Como se muestra en Fig. 11b, cuando la temperatura aumenta de 70 a 100 °C lentamente, las variaciones de TOP son menores de 0.55 dB.

Temperatura de la MF recubierta con nanoflakes de WSe₂ para diferentes a potencia de bombeo violeta, b potencia de bombeo verde y c potencia de bombeo rojo

Temperatura como función de potencia de bombeo para a láser violeta, b láser verde y c láser rojo

TOP de la MF recubierta con nanoflakes de WSe₂ bajo a diferente temperatura ambiente y b alta temperatura

La respuesta transitoria de la MF recubierta con nanoflakes de WSe₂ se mide usando el dispositivo experimental mostrado en Fig. 12. El láser de 1550 nm se conecta a la entrada de la MF. Las salidas de los láseres violeta, verde y rojo son moduladas por 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 usan para monitorear la salida de la MF. La Figura 13a–c muestra la respuesta monitoreada por el osciloscopio bajo iluminación de láser violeta, verde y rojo, respectivamente. Como se muestra en Fig. 13a, las potencias de bombeo violeta son 16.8, 20.3 y 22.8 mW para medición de tiempo de respuesta. El tiempo de subida y bajada se miden en 17.9 y 18.4 ms para el láser violeta, respectivamente. Para iluminación de láser verde, las potencias de bombeo son 8.3, 13.7 y 20.0 mW, como se muestra en Fig. 13b. El tiempo de subida y bajada se miden en 15.3 y 16.9 ms para el láser verde, respectivamente. Como se muestra en Fig. 13c, bajo iluminación de láser rojo con potencias de bombeo de 10.7, 16.8 y 20.5 mW, los tiempos de subida y bajada son 16.9 y 18.3 ms, respectivamente.

Configuración experimental de medición de respuesta transitoria

Tiempo de respuesta de la MF recubierta con nanoflakes de WSe₂ con longitud de onda de luz de bombeo de a iluminación láser violeta, b iluminación láser verde y c iluminación láser rojo

La sensibilidad de ajuste de TOP es diferente para los láseres de bombeo violeta, verde y rojo. Esto es porque la absorción es mucho más fuerte en longitudes de onda más cortas, como se muestra en Fig. 1b. El control totalmente óptico de TOP se debe a la combinación de efecto termo-óptico y portadores generados por fotones en MF con WSe₂. La interacción entre la luz de bombeo externa y WSe₂ induce cambio de índice efectivo de WSe₂. Los nanoflakes de WSe₂ absorben la luz del láser de bombeo. La temperatura de MF con WSe₂ aumenta con la potencia de bombeo, como se muestra en Figs. 9 y 10. La parte real del índice de refracción (n_r) de WSe₂ disminuye cuando la temperatura de la MF con WSe₂ aumenta [39]. El n_r también disminuye debido al aumento de concentraciones de portadores relacionado con la conductividad de los nanoflakes de WSe₂ [40]. Como resultado, el índice de refracción efectivo (n_eff) de modos guiados en MF recubierta con WSe₂ es variado por iluminación láser externa. Los portadores generados por fotones también llevan a variación de índice de WSe₂ y cambio de n_eff [38]. Por tanto, la TOP puede cambiarse con láseres de bombeo externos. Usando el método de elementos finitos, se realizan simulaciones para investigar los mecanismos de ajuste de TOP. Como se muestra en Fig. 14a, la parte real de n_eff aumenta con n_r. La parte real de n_eff aumenta de 1.4559 a 1.4567 con n_r variando de 2.44 a 2.64 [41, 42]. La distribución de campo eléctrico del modo con n_eff de 1.4559 se muestra en el recuadro de Fig. 14a. La variación de n_r proporciona diferentes distribuciones de campo eléctrico de modo. Integrando la distribución de campo eléctrico de toda la sección transversal, se calcula la energía eléctrica de salida. Como se muestra en Fig. 14b, la energía eléctrica de salida disminuye con n_r de 2.44 a 2.64 con una tasa de 1.76 × 10⁷ W/m². Por tanto, la potencia de salida aumenta con la potencia de bombeo externa. Los resultados de simulación concuerdan bien con los resultados experimentales. Para investigar el impacto del número de capas de WSe₂ en el rendimiento del dispositivo, se realizaron simulaciones por método de elementos finitos en COMSOL. El espesor del nanoflake de WSe₂ de cuatro capas es 2.8 nm, y el índice de refracción correspondiente de WSe₂ es 3.7 + 0.2i [43]. El ajuste lineal de la parte real de n_eff versus n_r se muestra en Fig. 15a. La parte real de n_eff aumenta con n_r cuando varía de 3.50 a 3.70. La distribución de campo eléctrico del modo para n_eff de 1.4550619 se muestra en el recuadro de Fig. 15a que es circularmente simétrica. En comparación, la distribución de campo eléctrico del modo en Fig. 14a es asimétrica ya que la luz es absorbida por el nanoflake de WSe₂ de 150 nm. La energía eléctrica de salida disminuye cuando n_r aumenta de 3.50 a 3.70 con una tasa de 1.41 × 10⁴ W/m², como se muestra en Fig. 15b. La tasa de variación de energía eléctrica de salida del nanoflake de WSe₂ de 150 nm es mucho mayor que la del nanoflake de WSe₂ de 2.8 nm, indicando que el nanoflake de WSe₂ grueso proporciona mejor rendimiento para ajuste totalmente óptico.

a Parte real del modo n_eff como función de n_r para nanoflake de WSe₂ de 150 nm. Y el recuadro es la distribución de campo eléctrico del modo con n_eff de 1.4559. b Dependencia de la energía eléctrica de salida en n_r para nanoflake de WSe₂ de 150 nm

a Parte real del modo n_eff versus n_r para nanoflake de WSe₂ de cuatro capas. Y el recuadro es la distribución de campo eléctrico del modo con n_eff de 1.4550619. b Dependencia de la energía eléctrica de salida en n_r para nanoflake de WSe₂ de cuatro capas

El método de diferencias finitas en el dominio del tiempo 3D (FDTD) (Lumerical FDTD Solution) se usó para calcular la potencia de salida de la MF superpuesta con WSe₂. El esquema de la configuración del dispositivo para cálculo de potencia de salida se muestra en Fig. 16a. En el modelo, el espesor de la capa de WSe₂, el diámetro de la MF y el índice de refracción de la MF se establecieron en 150 nm, 9.5 µm y 1.46, respectivamente. La longitud de la MF se estableció en 10 µm para cálculo cualitativo. Las direcciones x, y y z tienen una resolución de malla de 10 nm. La distribución de campo eléctrico en el corte transversal del plano x-z en y = 0 µm se muestra en Fig. 16b. La transmisión calculada se muestra en Fig. 17. Como se muestra en Fig. 17a, la transmisión de la 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 índice de refracción de nanoflake de WSe₂ fijado en 2.64 + 0.2i. Como se muestra en Fig. 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.

a Esquema de la configuración del dispositivo para cálculo con FDTD 3D. b Distribución de campo eléctrico en el corte transversal del plano x-z

Transmisión calculada como función de a n_r y b longitud de onda

El rendimiento de dispositivos luz-controla-luz se comparan en términos de sensibilidad TOP y tiempo de respuesta a diferentes longitudes de onda de luz de bombeo, como se lista en Tabla 1. La estructura de control totalmente óptico de la luz demostrada aquí tiene mayor sensibilidad comparada con MF, MKR y fibra pulida lateral (SPF) combinadas con varios materiales. La MF recubierta con WSe₂ tiene respuesta más rápida que las estructuras de ajuste totalmente óptico como MKR combinado con WS₂, MF superpuesta con MoSe₂, SPF combinada con cristales líquidos y MF cubierta con WS₂. Diferentes factores contribuyen a mayor sensibilidad TOP y tiempo de respuesta más rápido de MF superpuesta con WSe₂. Primero, WSe₂ proporciona ancho de banda de absorción amplio en luz visible y efecto termo-óptico para ajuste totalmente óptico. Segundo, la estructura MF está optimizada para mejorar la interacción luz-materia. Tercero, el método de recubrimiento de nanoflakes de WSe₂ permite control preciso de espesor de nanoflake y deposición uniforme de material.

Conclusiones

Hemos fabricado y demostrado ajuste totalmente óptico de la luz en MF recubierta con WSe₂ basado en la interacción entre luz de bombeo externa y WSe₂. A través de la irradiación externa de luz de bombeo (405, 532 y 660 nm), el ancho de banda de absorción amplio y efecto termo-óptico de WSe₂ prometen cambio de índice efectivo y subsiguiente variación de potencia de salida. Se pueden obtener sensibilidad y tiempo de bajada de 0.30 dB/mW y 15.3 ms, respectivamente. El mecanismo de ajuste de TOP se investiga con simulaciones. El rendimiento de la MF cubierta con WSe₂ como sensibilidad TOP y tiempo de respuesta puede mejorarse aún más usando película delgada de monocapa, métodos modernos de nanofabricación y dimensiones de MF optimizadas. Se espera que este trabajo promueva las aplicaciones realistas de WSe₂ en modulador totalmente óptico, dispositivos ópticos ajustables multidimensionalmente, etc.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricción.

Abreviaturas

2D:

Bidimensional

DFB:

Láser de realimentación distribuida; SEM Microscopía electrónica de barrido

MF:

Microfibra

MKR:

Resonador de nudo de microfibra

n_eff:

Índice de refracción efectivo

n_r:

Índice de refracción

SPF:

Fibra pulida lateral

TMDs:

Dicacogenuros de metales de transición

TOP:

Potencia óptica transmitida