Ajuste totalmente óptico de luz em microfibra revestida WSe2

Resumo

O disseleneto de tungstênio (WSe ₂ ) atraiu um interesse considerável devido às suas aplicações versáteis, como junções p-n, transistores, lasers de fibra, spintrônica e conversão de energia solar em eletricidade. Demonstramos o ajuste totalmente óptico da luz no WSe ₂ - Microfibra revestida (MF) usando WSe ₂ Largura de banda de ampla absorção e efeito termo-óptico. A potência óptica transmitida (TOP) pode ser ajustada usando lasers de bomba de incidência externa (405, 532 e 660 nm). A sensibilidade sob excitação de luz de bomba de 405 nm é de 0,30 dB / mW. Um tempo de aumento / queda de ~ 15,3 / 16,9 ms é alcançado sob excitação de bomba de luz de 532 nm. Simulações teóricas são realizadas para investigar o mecanismo de ajuste do TOP. As vantagens deste dispositivo são de fácil fabricação, controle totalmente óptico, alta sensibilidade e resposta rápida. O dispositivo sintonizável totalmente óptico proposto tem aplicações potenciais em circuitos totalmente ópticos, modulador totalmente óptico e dispositivos ópticos sintonizáveis multidimensional, etc.

Introdução

Optoeletrônica, fotônica e microeletrônica são importantes e indispensáveis nos sistemas de telecomunicações modernos. Dispositivos fotônicos compostos de componentes ópticos em escala micro ou nanométrica são desenvolvidos para obter estrutura miniaturizada, resposta rápida e alta sensibilidade [1]. Dispositivos totalmente óticos ajustáveis podem ser aplicados em comunicação ótica e processamento de sinal. A luz-controle-luz na fibra foi relatada, mas continua sendo um desafio melhorar o desempenho, especialmente a sensibilidade da potência óptica transmitida (TOP) e o tempo de resposta. Uma das boas maneiras de melhorar o desempenho é utilizando os dichalcogenetos de metais de transição (TMDs) bidimensionais (2D), que têm sido amplamente utilizados nas aplicações de sensores [2], dispositivos optoeletrônicos [3], transistores [4], absorvedores saturáveis [5] e dispositivos de memória [6]. A modulação totalmente óptica foi realizada com microfibra decorada com grafeno (MF) [7], MF coberta com grafeno [8] e estruturas estéreo grafeno-MF [9]. O ajuste de dispositivos MF foi alcançado quando o MF está conectado a diferentes materiais, como cristal líquido [10], niobato de lítio [11] e polímero [12]. Ressonador de nó de microfibra sintonizável totalmente óptico (MKR) com sua parte superior e inferior cobertas por grafeno foi realizado [13]. O revestimento da superfície lisa e sem perdas do MF com diferentes materiais 2D permite a funcionalidade de controle de luz do MF e do ressonador MF. Controle totalmente óptico de luz no WS ₂ MKR revestido foi relatado com uma taxa de variação de potência transmitida de ~ 0,4 dB / mW sob bomba violeta e um tempo de resposta de ~ 0,1 s [14]. Funcionalidade de luz de controle de luz totalmente ótica de MKR revestido com SnS ₂ também foi realizado; a taxa de variação TOP em relação à luz violeta é de ~ 0,22 dB / mW e o tempo de resposta é de ~ 3,2 ms [15]. O TOP do MF envolto com óxido de grafeno reduzido foi manipulado pela bomba de luz violeta com uma taxa de variação de ~ 0,21 dB / mW [16]. Todas as propriedades de luz de controle de luz do MoSe ₂ -coated-MF também foram investigados; a sensibilidade do TOP é ~ 0,165 dB / mW sob a luz violeta da bomba e o tempo de subida da resposta transiente é ~ 0,6 s [17]. A sensibilidade TOP e o tempo de resposta são propriedades importantes dos dispositivos MF. Para aplicações como ajuste totalmente ótico e modulação ótica, são necessários aprimoramentos da sensibilidade TOP e do tempo de resposta.

Como um exemplo típico de materiais TMDs, disseleneto de tungstênio (WSe ₂ ) tem recebido grande interesse de pesquisa e é blocos de construção potencialmente importantes para eletrônicos e optoeletrônicos. WSe ₂ tem alto coeficiente de Seebeck, condutividade térmica ultrabaixa e ambipolaridade, tornando-o um candidato atraente para eletrônica flexível [18, 19]. Por exemplo, o ajuste elétrico das junções p-n foi alcançado com base na ambipolaridade de WSe ₂ [20]. Controle elétrico de geração de segundo harmônico em um WSe ₂ transistor monocamada foi relatado usando fortes efeitos de carregamento de excitons no WSe ₂ [21]. WSe ₂ tem grande coeficiente de absorção nas regiões do visível e infravermelho próximo, que tem sido explorado na conversão de energia solar em eletricidade [22]. Comparado com o sulfeto, o seleneto é mais estável e resistente à oxidação em condições ambientais [23]. Além disso, WSe ₂ fornece uma alta mobilidade intrínseca do orifício de 500 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , que é muito maior do que o MoS ₂ [24]. Usando esta propriedade do WSe ₂ , transistores de efeito de campo do tipo p e n de alta mobilidade foram relatados com monocamada WSe ₂ [25]. O WSe monocamada ₂ mostra um bandgap direto com forte fotoluminescência [26]. As propriedades de absorção saturáveis não lineares de WSe ₂ têm sido aplicados como absorventes saturáveis em lasers de fibra [27]. O WSe ₂ mostra um grande potencial para controle totalmente óptico de luz no WSe ₂ dispositivos de fibra com base.

Os MFs ópticos são cones de fibra óptica com um diâmetro de vários a mais de 10 μm. O MF é fabricado por um cone simples aquecido por chama extraindo a fibra sob o calor. Como resultado, o cone bicônico é formado provando uma plataforma para interação entre a luz guiada e os arredores e conexão com outros componentes fibrosos [28]. O perfil MF pode ser ajustado para se adequar a diferentes aplicações por meio do controle da velocidade de extração e do tempo no processo de fabricação. O MF tem vantagens de grandes campos evanescentes, configurabilidade, baixa perda óptica, confinamento óptico apertado e excelente flexibilidade mecânica [29]. O estreito confinamento óptico do MF fornece uma abordagem promissora para circuitos ópticos de pequenas dimensões e efeito não linear óptico de baixo limiar. A interação forte e rápida entre a luz guiada e os arredores pode ser obtida com base em campos evanescentes fortes de MF. Esta propriedade do MF tem sido explorada para sensoriamento óptico com diferentes configurações, como grades de fibra inscritas no MF [30], MF funcionalizado por superfície [31] e interferômetro de Mach-Zehnder [32, 33]. A forte interação luz-matéria fornecida pelo MF também foi aplicada para realizar modulador totalmente óptico, lasers de fibra ultrarrápida [34, 35] e funcionalidade de ajuste e controle de luz de luz.

Neste artigo, empregamos a largura de banda de ampla absorção e o efeito termo-óptico do WSe ₂ para realizar o ajuste óptico de luz no WSe ₂ MF revestido. Para realizar o ajuste totalmente óptico, a luz da bomba externa com comprimentos de onda de 405, 532 e 660 nm são usados para irradiar o MF. Empregando a interação entre a luz da bomba externa e WSe ₂ , a mudança efetiva do índice é realizada e, subsequentemente, induz a variação da potência de saída. A sensibilidade TOP medida é de 0,30 dB / mW sob excitação de luz de bomba de 405 nm. A mudança de temperatura induzida por laser da bomba externa e a resposta do dispositivo são investigadas. Simulações teóricas são realizadas para verificar o mecanismo de sintonia do TOP.

Métodos

A concentração de WSe ₂ a dispersão foi de 1 mg / ml, obtida pelo método de esfoliação líquida. Para obter WSe ₂ nanofolhas com distribuição uniforme, tratamento ultrassônico do WSe ₂ dispersões por ~ 30 min. A fim de caracterizar o WSe ₂ nanofolhas, espectro de absorção Raman e UV-VIS foram medidos. O espectro Raman de WSe ₂ nanofolhas excitadas por um laser de 488 nm são mostradas na Fig. 1a. O WSe ₂ nanofolhas exibem apenas um modo vibracional forte em torno de 252,2 cm ^–1 , que é um resultado da degeneração do E _2g e A _1g modos. Um pico Raman adicional aparecerá em 5–11 cm ⁻¹ quando o WSe ₂ os flocos são mais finos do que quatro camadas [36]. O espectro de absorção de WSe ₂ nanofolhas medidas por um espectrofotômetro UV-VIS (UV-2600, SHIMADZU) são mostradas na Fig. 1b. Na faixa de comprimento de onda de 300 a 700 nm, o WSe ₂ nanofolhas têm absorção. De 400 a 700 nm, a absorção diminui com o comprimento de onda. A absorção em três comprimentos de onda 405, 532 e 660 nm é comparada, como mostrado na Fig. 1b.

O MF foi fabricado com a técnica de “escova de chama”. O MF foi obtido extraindo um pedaço de fibra monomodo padrão da Corning Inc. a uma velocidade de ~ 0,2 mm / s, aquecida por uma chama. A fim de realizar o controle totalmente óptico da luz no WSe ₂ MF revestido, cintura apropriada do MF é necessária. Uma cintura MF menor permite uma interação mais forte entre a luz e WSe ₂ , mas o TOP pode estar muito fraco para ser detectado, pois a perda é grande. A Figura 2a mostra o MF fabricado com um diâmetro de ∼ 9,5 μm na região uniforme da cintura. A inserção da Fig. 2a é a imagem microscópica do MF com um laser de 650 nm lançado na entrada. O diâmetro do MF foi medido usando um microscópio óptico (microscópio Zeiss Axio Scope A1). Conforme mostrado na Fig. 2b, a região da cintura do MF tem um comprimento de ∼ 6 mm e um diâmetro de ∼ 9,5 μm. O comprimento total do MF é de ∼ 25 mm.

O próximo passo foi a deposição do WSe ₂ nanofolhas no MF. Antes da deposição, o MF foi fixado a uma bacia de vidro (20 mm × 5 mm × 1 mm) que foi feita de vidro e adesivo UV (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific). Depois disso, o WSe ₂ dispersão foi gotejada no MF usando uma pipeta. O TOP de MF durante o processo de deposição foi monitorado usando um laser de feedback distribuído de 1550 nm (DFB). Conforme mostrado na Fig. 3, antes da deposição, o TOP é de cerca de - 10 dBm. Após 5 min de deposição, o TOP diminui drasticamente para - 43 dBm. Então, o TOP aumenta para - 35 dBm após 14 min. O TOP torna-se estável em - 37 dBm, indicando que a deposição foi concluída.

A imagem de microscopia eletrônica de varredura (SEM) do MF revestido com WSe ₂ nanofolhas são mostradas na Fig. 4. A Figura 4a mostra o WSe ₂ nanofolhas precipitam no MF com um diâmetro de ~ 9,5 μm, e sua imagem ampliada é mostrada na inserção da Fig. 4a. A vista da seção transversal do MF revestido com WSe ₂ nanofolhas são mostradas na Fig. 4b. A inserção da Fig. 4b mostra que a espessura do WSe ₂ depositado nanofolhas é ~ 150 nm.

Para investigar a absorção de luz do WSe ₂ filme, guia de luz no WSe ₂ MF revestido foi simulado pelo método dos elementos finitos no COMSOL. No modelo, um WSe ₂ de 150 nm camada é envolvida em torno de ~ 9,5 μm MF. Os índices de refração do MF e WSe ₂ nanofolhas são 1,46 e 2,64 + 0,2i [37], respectivamente. A janela de cálculo é de 20 μm × 20 μm e o tamanho da malha é de 50 nm. O comprimento de onda foi fixado em 1550 nm. As distribuições de campo de modo do MF e do WSe ₂ MF revestido foram calculados. A Figura 5a mostra a distribuição do modo 2D em 1550 nm. O índice efetivo do modo no MF com o WSe ₂ a camada correspondente à Fig. 5a é 1,4567–2,04 × 10 ⁻³ i, indicando WSe ₂ Absorção de. A distribuição do campo radial do MF e WSe ₂ MF revestido ao longo da linha tracejada branca da Fig. 5a está representado na Fig. 5b. A distribuição do campo radial tem a mesma intensidade de pico em ~ 0 μm. Na imagem ampliada da Fig. 5b, a distribuição de campo de WSe ₂ MF revestido mostra uma variação abrupta como resultado da descontinuidade do índice.

O controle totalmente óptico da luz no WSe ₂ MF revestido é caracterizado usando a configuração experimental como mostrado na Fig. 6. O laser DFB 1550 nm (SOF – 155 – D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) é conectado à entrada do dispositivo e a saída é monitorada pelo medidor de potência óptica. Os lasers de 405, 532 e 660 nm são usados para bomba externa. O MF revestido com WSe ₂ é irradiado pelos lasers que são colocados ~ 10 cm acima da amostra. Em primeiro lugar, o TOP do MF sem WSe ₂ é medido usando esta configuração experimental.

Resultados e discussão

A Figura 7a-c mostra a variação de potência relativa para várias potências de bomba dos lasers de 405-, 532- e 660 nm, respectivamente. Conforme mostrado na Fig. 7a, as mudanças de TOP do MF nu são menores do que 0,03 dB sob irradiação de laser de 405 nm. Resultados semelhantes são obtidos para os lasers de 532 e 660 nm. As variações TOP são menores que 0,02 e 0,03 dB para os lasers de 532 e 660 nm, respectivamente.

Em seguida, o TOP do MF revestido com WSe ₂ nanofolhas é medido sob diferentes potências de bomba. Os experimentos são realizados com a potência do laser de 405 nm (violeta) (LSR405NL, Lasever Inc.) variando de 0 a 13,3 mW. A Figura 8 a representa a variação de potência relativa do MF revestido com WSe ₂ nanofolhas sob iluminação a laser de 405 nm. O TOP aumenta com a potência da bomba. Quando a potência da bomba do laser de 405 nm aumenta de 0 para 13,3 mW, a variação TOP é de 4,2 dB. A variação TOP também é de 4,2 dB quando a potência do laser de 405 m diminui de 13,3 para 0 mW. A fim de analisar a relação entre o TOP e a potência do laser de 405 nm, os valores médios do TOP para as diferentes etapas da potência da bomba na Fig. 8a são extraídos. A mudança de TOP com a força da luz da bomba é mostrada na Fig. 8b. A sensibilidade da variação TOP à potência da bomba é determinada pela inclinação da curva de ajuste linear. Uma sensibilidade de 0,30 dB / mW é obtida para aumentar o poder do violeta e diminuir o poder do violeta, verificando se o controle totalmente óptico da luz tem boa repetibilidade e estabilidade. O controle óptico de luz do MF revestido com Wse ₂ nanofolhas são analisadas com os lasers de 532 e 660 nm. A Figura 8 c apresenta a variação TOP quando a potência do laser de 532 nm (verde) aumenta de 0 para 13,3 mW. O TOP muda com a potência do laser verde. As variações de potência relativa são de 3,2 dB para aumentar a potência da bomba (de 0 a 13,3 mW) e diminuir a potência da bomba (de 13,3 para 0 mW). A variação TOP para diferentes potências de luz da bomba está representada na Fig. 8d. As sensibilidades são 0,23 dB / mW para os processos de aumento e diminuição. Resultados semelhantes são obtidos para a bomba de laser de 660 nm (vermelho). Conforme mostrado na Fig. 8e, o TOP aumenta em 2,9 dB quando a potência do laser vermelho aumenta de 0 para 17,0 mW, e a mudança de potência é a mesma para o processo de diminuição. As sensibilidades sob a iluminação do laser vermelho são obtidas na Fig. 8f, que são 0,16 dB / mW tanto para o aumento da potência da bomba (de 0 a 17,0 mW) quanto para a diminuição da potência da bomba (de 17,0 a 0 mW). Na Fig. 8b, d e f para o ajuste totalmente óptico, a linearidade é diferente. Durante o processo de aumento de potência, o R ² os valores são 0,907, 0,976 e 0,984 para os lasers violeta, verde e vermelho, respectivamente. O R ² valores de 0,915, 0,977 e 0,991 são obtidos no processo de potência decrescente para os lasers violeta, verde e vermelho, respectivamente. Aqui, o laser violeta oferece melhor sensibilidade, mas a linearidade do laser vermelho é melhor. No entanto, para controle totalmente óptico de luz no MoSe _2- MF revestido, a luz de 980 nm tem melhor linearidade e sensibilidade do que a luz de 405 nm [17]. Portanto, não há uma relação consistente entre linearidade e sensibilidade para diferentes dispositivos sob diferentes bombas de lasers. Acreditamos que a linearidade e a sensibilidade estão relacionadas ao material 2D, ao método de deposição, à estrutura da fibra e à estabilidade da luz da bomba.

Deve-se notar que a temperatura do MF revestido com WSe ₂ mudanças sob iluminação a laser. A temperatura é registrada por um termopar quando a potência da bomba muda. A Figura 9a mostra a mudança de temperatura para várias potências de bomba de violeta. A temperatura aumenta com a potência da bomba. A temperatura aumenta de 21,6 para 28,1 ° C quando a potência da bomba violeta aumenta de 0 para 13,3 mW. Quando a potência da bomba violeta diminui de 13,3 para 0 mW, a temperatura diminui de 28,1 para 22,0 ° C. As variações de temperatura também são monitoradas para os lasers de bomba verde e vermelho. Conforme mostrado na Fig. 9b, aumentar e diminuir as potências do laser verde na faixa de 0 a 13,3 mW pode induzir variações de temperatura de 6,7 ° C e 6,1 ° C, respectivamente. A Figura 9 c mostra a variação de temperatura sob a bomba de laser vermelho, que tem a mesma tendência variável. A temperatura muda em 7,1 ° C e 7,0 ° C quando a potência da bomba vermelha varia entre 0 e 17,0 mW. A temperatura em função da potência da bomba é representada graficamente na Fig. 10. Conforme mostrado na Fig. 10a, o ajuste linear da variação de temperatura dá sensibilidades de 0,46 ° C / mW e 0,44 ° C / mW para aumentar e diminuir a potência da bomba violeta , respectivamente. A Figura 10 b mostra as sensibilidades à temperatura que são 0,44 ° C / mW e 0,41 ° C / mW para aumentar e diminuir a potência verde da bomba, respectivamente. Para o processo de aumento e diminuição da potência da bomba vermelha, as sensibilidades à temperatura são medidas em 0,41 ° C / mW. Os resultados indicam o WSe ₂ podem ser considerados aquecedores compactos e eficientes para controle totalmente óptico e ajuste termo-óptico [38]. A fim de investigar a influência da temperatura ambiente no desempenho do dispositivo, o MF revestido com WSe ₂ nanofolhas são colocadas em uma placa de aquecimento de cerâmica (CHP – 250DF, AS ONE) para medição TOP. Conforme mostrado na Fig. 11a, as variações TOP são menores que 0,03 dB quando a temperatura da câmara é alterada de 22 para 30 ° C. Os resultados que comprovam que este dispositivo é insensível à temperatura ambiente. Conforme mostrado na Fig. 11a, as variações TOP são menores que 0,03 dB quando a temperatura da câmara é alterada de 22 para 30 ° C. Os resultados que comprovam que este dispositivo é insensível à temperatura ambiente. Este dispositivo é relativamente estável quando usado em alta temperatura para ajuste totalmente óptico. Conforme mostrado na Fig. 11b, quando a temperatura é aumentada de 70 para 100 ° C lentamente, as variações TOP são menores que 0,55 dB.

A resposta transitória do MF revestido com WSe ₂ nanofolhas é medido usando a configuração experimental mostrada na Fig. 12. O laser de 1550 nm é conectado à entrada do MF. As saídas dos lasers violeta, verde e vermelho são moduladas por um gerador de sinal (AFG 3102, Tektronix). A saída do gerador de sinal é uma onda quadrada. Um fotodetector (Modelo 1811, New Focus) e um osciloscópio (DS1052E, RIGOL) são usados para monitorar a saída do MF. A Figura 13 a – c mostra a resposta monitorada pelo osciloscópio sob iluminação de laser violeta, verde e vermelho, respectivamente. Conforme mostrado na Fig. 13a, as potências da bomba violeta são 16,8, 20,3 e 22,8 mW para a medição do tempo de resposta. O tempo de subida e o tempo de queda são medidos em 17,9 e 18,4 ms para o laser violeta, respectivamente. Para iluminação de laser verde, as potências da bomba são 8,3, 13,7 e 20,0 mW, conforme mostrado na Fig. 13b. O tempo de subida e o tempo de queda são medidos em 15,3 e 16,9 ms para o laser verde, respectivamente. Conforme mostrado na Fig. 13c, sob iluminação de laser vermelho com potências de bomba de 10,7, 16,8 e 20,5 mW, o tempo de subida e o tempo de queda são 16,9 e 18,3 ms, respectivamente.

A sensibilidade de ajuste do TOP é diferente para os lasers de bombeamento violeta, verde e vermelho. Isso ocorre porque a absorção é muito mais forte em comprimentos de onda mais curtos, como mostrado na Fig. 1b. O controle totalmente óptico de TOP é devido à combinação de efeito termo-óptico e portadoras geradas por fótons em MF com WSe ₂ . A interação entre a luz da bomba externa e WSe ₂ induz mudança de índice eficaz de WSe ₂ . O WSe ₂ nanofolhas absorvem a luz do laser da bomba. A temperatura de MF com WSe ₂ aumenta com a potência da bomba, conforme mostrado nas Figs. 9 e 10. A parte real do índice de refração ( n _r ) de WSe ₂ diminui quando a temperatura do MF com WSe ₂ aumenta [39]. O n _r também diminui devido ao aumento das concentrações de portadores que está relacionado à condutividade de WSe ₂ nanofolhas [40]. Como resultado, o índice de refração efetivo ( n _eff ) de modos guiados em MF revestidos com WSe ₂ é variado pela iluminação a laser externa. Os portadores gerados por fótons também levam à variação do índice de WSe ₂ e mudança do n _eff [38]. Portanto, o TOP pode ser alterado com lasers de bomba externa. Usando o método dos elementos finitos, simulações são realizadas para investigar os mecanismos de ajuste TOP. Conforme mostrado na Fig. 14a, a parte real de n _eff aumenta com n _r . A parte real de n _eff aumenta de 1,4559 para 1,4567 com n _r variando de 2,44 a 2,64 [41, 42]. A distribuição do campo elétrico do modo com n _eff de 1.4559 é mostrado na inserção da Fig. 14a. Variação de n _r fornece distribuições de campo elétrico de modo diferente. Integrando a distribuição do campo elétrico de toda a seção transversal, é calculada a energia elétrica de saída. Conforme mostrado na Fig. 14b, a energia elétrica de saída diminui com n _r de 2,44 a 2,64 com uma taxa de 1,76 × 10 ⁷ W / m. ² Portanto, a potência de saída aumenta com a potência da bomba externa. Os resultados da simulação concordam bem com os resultados experimentais. Para investigar o impacto do WSe ₂ número da camada no desempenho do dispositivo, as simulações foram realizadas pelo método dos elementos finitos no COMSOL. A espessura do WSe de quatro camadas ₂ nanofolha é 2,8 nm, e o índice de refração correspondente de WSe ₂ é 3,7 + 0,2i [43]. O ajuste linear da parte real de n _eff versus n _r é mostrado na Fig. 15a. A parte real de n _eff aumenta com n _r quando varia de 3,50 a 3,70. A distribuição do campo elétrico do modo para n _eff de 1.4550619 é mostrado na inserção da Fig. 15a que é circularmente simétrica. Em comparação, a distribuição do campo elétrico do modo na Fig. 14a é assimétrica, uma vez que a luz é absorvida pelo WSe de 150 nm ₂ nanofolha. A energia elétrica de saída diminui quando n _r aumenta de 3,50 para 3,70 com uma taxa de 1,41 × 10 ⁴ W / m ² , como mostrado na Fig. 15b. A taxa de variação de energia elétrica de saída de 150 nm WSe ₂ nanofolha é muito maior do que o WSe de 2,8 nm ₂ nanofolha, indicando o WSe espesso ₂ nanosheet fornece melhor desempenho para ajuste totalmente óptico.

O domínio de tempo de diferença finita 3D (FDTD) (Lumerical FDTD Solution) foi usado para calcular a potência de saída do MF sobreposto com WSe ₂ . O esquema da configuração do dispositivo para cálculo da potência de saída é mostrado na Fig. 16a. No modelo, a espessura de WSe ₂ camada, o diâmetro do MF e o índice de refração do MF foram definidos como 150 nm, 9,5 μm e 1,46, respectivamente. O comprimento do MF é definido como 10 μm para cálculos qualitativos. O x , y e z direções têm uma resolução de grade de 10 nm. A distribuição do campo elétrico no x - z corte transversal plano em y =0 μm é mostrado na Fig. 16b. A transmissão calculada é mostrada na Fig. 17. Conforme mostrado na Fig.17a, a transmissão do MF diminui com n _r , e a tendência de variação é consistente com os resultados obtidos com o COMSOL. As perdas são 10,80 e 10,94 dB / mm para n _r =2,44 e n _r =2,64, respectivamente. Em seguida, a transmissão de MF para comprimentos de onda de 1530 a 1570 nm foi calculada com índice de refração de WSe ₂ nanofolha fixada em 2,64 + 0,2i. Conforme mostrado na Fig.17b, a transmissão diminui com o comprimento de onda. A perda variou de 10,58 a 10,85 dB / mm quando o comprimento de onda mudou de 1530 a 1570 nm.

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.

Conclusões

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.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

2D:: Bidimensional
DFB:: Distributed feedback laser; SEM

Microscopia eletrônica de varredura
MF:: Microfiber
MKR:: Microfiber knot resonator
n _eff :: Effective refractive index
n _r :: Refractive index
SPF:: Side-polished fiber
TMDs:: Dichalcogenetos de metais de transição
TOP:: Transmitted optical power

Um Nanogerador Triboelétrico Portátil para Monitoramento Respiratório em Tempo Real Polarização de vale controlável usando Silicene de defeitos de linha dupla devido ao acoplamento Rashba Spin-Orbit

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias