Réglage tout optique de la lumière en microfibre enduite WSe2

Introduction

L'optoélectronique, la photonique et la microélectronique sont importantes et indispensables dans les systèmes de télécommunication modernes. Des dispositifs photoniques composés de composants optiques à l'échelle micro ou nanométrique sont développés pour obtenir une structure miniaturisée, une réponse rapide et une sensibilité élevée [1]. Les dispositifs tout optique accordables peuvent être appliqués dans la communication optique et le traitement du signal. La lumière de contrôle de la lumière dans la fibre a été signalée, mais il reste un défi d'améliorer les performances, en particulier la sensibilité et le temps de réponse de la puissance optique transmise (TOP). L'un des bons moyens d'améliorer les performances consiste à utiliser les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) bidimensionnels (2D), qui ont été largement utilisés dans les applications de capteurs [2], de dispositifs optoélectroniques [3], de transistors [4], absorbants saturables [5] et dispositifs de mémoire [6]. La modulation tout optique a été réalisée avec des microfibres décorées de graphène (MF) [7], des MF recouverts de graphène [8] et des structures stéréo graphène-MF [9]. Le réglage des dispositifs MF a été réalisé lorsque le MF est connecté à différents matériaux, tels que les cristaux liquides [10], le niobate de lithium [11] et le polymère [12]. Un résonateur à nœud en microfibre accordable tout optique (MKR) avec son haut et son bas recouverts de graphène a été réalisé [13]. Le revêtement de la surface lisse et sans perte du MF avec différents matériaux 2D permet une fonctionnalité de contrôle de la lumière et de la lumière du MF et du résonateur MF. Contrôle tout optique de la lumière dans WS₂ MKR revêtu a été rapporté avec un taux de variation de puissance transmise de ~ 0,4 dB/mW sous pompe violette et un temps de réponse de ~ 0,1 s [14]. Fonctionnalité de contrôle de la lumière tout optique de MKR recouvert de SnS₂ a également été réalisé; le taux de variation TOP par rapport à la lumière violette est de ~ 0,22 dB/mW et le temps de réponse est aussi rapide que ~ 3,2 ms [15]. Le TOP du MF enveloppé d'oxyde de graphène réduit a été manipulé par la lumière de pompe violette avec un taux de variation de ~ 0,21  dB/mW [16]. Toutes les propriétés light-control-light de MoSe₂ -coated-MF ont également été étudiés; la sensibilité TOP est d'environ 0,165  dB/mW sous une lumière de pompage violette et le temps de montée de la réponse transitoire est d'environ 0,6 s [17]. La sensibilité TOP et le temps de réponse sont des propriétés importantes des appareils MF. Pour les applications telles que le réglage tout optique et la modulation optique, des améliorations de la sensibilité TOP et du temps de réponse sont nécessaires.

Comme exemple typique de matériaux TMD, le diséléniure de tungstène (WSe₂ ) a suscité un grand intérêt pour la recherche, et il s'agit d'éléments potentiellement importants pour l'électronique et l'optoélectronique. WS₂ a un coefficient Seebeck élevé, une conductivité thermique ultra-faible et une ambipolarité, ce qui en fait un candidat attrayant pour l'électronique flexible [18, 19]. Par exemple, le réglage électrique des jonctions p-n a été réalisé sur la base de l'ambipolarité de WSe₂ [20]. Contrôle électrique de la génération de deuxième harmonique dans un WSe₂ transistor monocouche a été signalé en utilisant de forts effets de charge d'excitons dans WSe₂ [21]. WS₂ a un grand coefficient d'absorption dans les régions visible et proche infrarouge, qui a été exploité dans la conversion de l'énergie solaire en électricité [22]. Comparé au sulfure, le séléniure est plus stable et résistant à l'oxydation dans les conditions ambiantes [23]. De plus, WSe₂ offre une mobilité intrinsèque élevée des trous de 500 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , ce qui est bien supérieur à celui de MoS₂ [24]. Utilisation de cette propriété de WSe₂ , des transistors à effet de champ de type p et n à haute mobilité ont été signalés avec la monocouche WSe₂ [25]. La monocouche WSe₂ montre une bande interdite directe avec une forte photoluminescence [26]. Les propriétés d'absorption saturable non linéaire de WSe₂ ont été appliqués comme absorbants saturables dans les lasers à fibre [27]. Le WSe₂ montre un grand potentiel pour le contrôle tout optique de la lumière dans WSe₂ périphériques à fibre optique.

Les MF optiques sont des fibres optiques effilées d'un diamètre de plusieurs à plus de 10 µm. Le MF est fabriqué par simple conicité chauffée à la flamme étirant la fibre à chaud. En conséquence, le cône biconique est formé, ce qui constitue une plate-forme d'interaction entre la lumière guidée et l'environnement et la connexion à d'autres composants fibrés [28]. Le profil MF peut être ajusté avec précision pour s'adapter à différentes applications en contrôlant la vitesse de traction et le temps dans le processus de fabrication. La MF présente les avantages de grands champs évanescents, de configurabilité, de faible perte optique, de confinement optique serré et d'une flexibilité mécanique exceptionnelle [29]. Le confinement optique serré de MF offre une approche prometteuse pour les circuits optiques à faible encombrement et l'effet non linéaire optique à faible seuil. Une interaction forte et rapide entre la lumière guidée et l'environnement peut être obtenue sur la base de forts champs évanescents de MF. Cette propriété de MF a été exploitée pour la détection optique avec différentes configurations, telles que les réseaux de fibres inscrits sur MF [30], MF fonctionnalisé en surface [31] et l'interféromètre de Mach-Zehnder [32, 33]. La forte interaction lumière-matière fournie par MF a également été appliquée pour réaliser un modulateur tout optique, des lasers à fibre ultrarapide [34, 35] et des fonctionnalités de réglage et de contrôle de la lumière.

Dans cet article, nous utilisons la large bande passante d'absorption et l'effet thermo-optique de WSe₂ pour accomplir le réglage tout optique de la lumière dans WSe₂ enduit MF. Pour réaliser un réglage tout optique, la lumière de pompage externe avec des longueurs d'onde de 405, 532 et 660  nm est utilisée pour irradier le MF. En utilisant l'interaction entre la lumière de la pompe externe et WSe₂ , un changement d'indice effectif est réalisé et induit par la suite une variation de puissance de sortie. La sensibilité TOP mesurée est de 0,30  dB/mW sous une excitation de lumière de pompage de 405 nm. Le changement de température induit par le laser à pompe externe et la réponse de l'appareil sont étudiés. Des simulations théoriques sont effectuées pour vérifier le mécanisme de réglage de TOP.

Méthodes

La concentration de WSe₂ dispersions était de 1 mg/ml, ce qui a été obtenu par la méthode d'exfoliation liquide. Pour obtenir WSe₂ nanofeuillets à répartition uniforme, traitement par ultrasons du WSe₂ dispersions pour ~ 30 min a été effectuée. Afin de caractériser le WSe₂ nanofeuillets, Raman et spectre d'absorption UV-VIS ont été mesurés. Le spectre Raman de WSe₂ des nanofeuillets excités par un laser à 488 nm sont représentés sur la figure 1a. Le WSe₂ les nanofeuillets n'affichent qu'un seul mode vibrationnel puissant d'environ 252,2  cm ^–1 , qui est le résultat d'une dégénérescence du E_2g et A_1g modes. Un pic Raman supplémentaire apparaîtra à 5-11 cm ⁻¹ lorsque le WSe₂ les flocons sont plus minces que quatre couches [36]. Le spectre d'absorption de WSe₂ Les nanofeuillets mesurés par un spectrophotomètre UV-VIS (UV-2600, SHIMADZU) sont illustrés à la Fig. 1b. Dans la gamme de longueurs d'onde de 300 à 700 nm, le WSe₂ les nanofeuilles ont une absorption. De 400 à 700 nm, l'absorption diminue avec la longueur d'onde. L'absorption à trois longueurs d'onde 405, 532 et 660  nm est comparée, comme le montre la figure 1b.

un Spectre Raman de WSe₂ . b Spectre d'absorption de WSe₂

Le MF a été fabriqué selon la technique du « pince-flamme ». La MF a été obtenue en étirant un morceau d'une fibre monomode standard de Corning Inc. à une vitesse de ~ 0,2 mm/s, chauffée par une flamme. Afin de réaliser un contrôle tout optique de la lumière dans WSe₂ -MF enduit, une taille appropriée du MF est requise. Une taille MF plus petite permet une interaction plus forte entre la lumière et le WSe₂ , mais le TOP peut être trop faible pour être détecté car la perte est importante. La figure 2a montre le MF fabriqué avec un diamètre de  μ 9,5 m dans la région de taille uniforme. L'encart de la figure 2a est l'image microscopique de la MF avec un laser de 650 nm lancé à l'entrée. Le diamètre de la MF a été mesuré à l'aide d'un microscope optique (microscope Zeiss Axio Scope A1). Comme le montre la figure 2b, la région de taille de la MF a une longueur 6 mm et un diamètre ∼ 9,5 μm. La longueur totale du MF est ∼ 25 mm.

un Image microscopique du MF fabriqué. b Caractéristique morphologique de MF

L'étape suivante était le dépôt du WSe₂ nanofeuillets sur le MF. Avant le dépôt, le MF a été fixé sur un bassin en verre (20 mm × 5 mm × 1 mm) qui était fait de verre et d'adhésif UV (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific). Après cela, le WSe₂ la dispersion a été déposée sur le MF à l'aide d'une pipette. Le TOP de MF pendant le processus de dépôt a été surveillé à l'aide d'un laser à rétroaction distribuée (DFB) de 1550 nm. Comme le montre la figure 3, avant dépôt, le TOP est d'environ - 10 dBm. Après 5 min de dépôt, le TOP décroît fortement jusqu'à − 43 dBm. Puis le TOP augmente jusqu'à − 35 dBm après 14 min. Le TOP devient stable à − 37 dBm, indiquant que le dépôt est terminé.

Variation de TOP en MF lors du dépôt de WSe₂

L'image de microscopie électronique à balayage (MEB) du MF recouvert de WSe₂ nanosheets est montré dans la figure 4. La figure 4a montre le WSe₂ des nanofeuillets précipitent sur le MF avec un diamètre d'environ 9,5  μm, et son image agrandie est montrée dans l'encart de la figure 4a. La vue en coupe du MF revêtu de WSe₂ nanofeuilles est montré dans la figure 4b. L'encart de la figure 4b montre que l'épaisseur de WSe déposé₂ nanofeuilles est de ~ 150 nm.

un Image SEM du MF recouvert de WSe₂ . b Vue en coupe du MF revêtu de WSe₂ nanofeuilles

Pour étudier l'absorption de la lumière du WSe₂ film, guidage de la lumière dans le WSe₂ -La MF revêtue a été simulée par la méthode des éléments finis dans COMSOL. Dans le modèle, un WSe₂ de 150 nm couche est enroulée autour du ~ 9,5  μm MF. Les indices de réfraction du MF et du WSe₂ nanofeuille sont 1,46 et 2,64 + 0,2i [37], respectivement. La fenêtre de calcul est de 20 μm × 20 μm et la taille de maillage est de 50 nm. La longueur d'onde a été fixée à 1550 nm. Les distributions de champ de mode du MF et du WSe₂ MF revêtus ont été calculés. La figure 5a montre la distribution du mode 2D à 1550 nm. L'indice effectif du mode dans le MF avec le WSe₂ la couche correspondant à la figure 5a est 1,4567-2,04 × 10 ⁻³ i, indiquant WSe₂ l'absorption. La distribution radiale du champ du MF nu et du WSe₂ MF revêtu le long de la ligne en pointillés blancs de la figure 5a est tracé sur la figure 5b. La distribution du champ radial a la même intensité de crête à ~ 0 μm. Dans l'image agrandie de la figure 5b, la distribution de champ de WSe₂ -Le MF enduit montre une variation abrupte en raison de la discontinuité de l'indice.

un Distribution de champ 2D du mode de guidage simulé dans WSe₂ -enduit MF. b Répartition radiale du champ MF et WSe₂ nus -enduit MF, et l'encart montre une image agrandie du champ à la surface MF

Le contrôle tout optique de la lumière dans WSe₂ La MF revêtue est caractérisée à l'aide de la configuration expérimentale illustrée à la Fig. 6. Le laser DFB à 1550 nm (SOF–155–D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) est connecté à l'entrée de l'appareil et la sortie est surveillée par le compteur de puissance optique. Les lasers 405, 532 et 660 nm sont utilisés pour la pompe externe. Le MF revêtu de WSe₂ est irradié par les lasers qui sont placés à ~ 10 cm au-dessus de l'échantillon. Premièrement, le TOP de MF sans WSe₂ est mesuré à l'aide de cette configuration expérimentale.

Configuration expérimentale pour mesurer le TOP de l'appareil sous un éclairage laser externe

Résultats et discussion

La figure 7a–c montre la variation de puissance relative pour différentes puissances de pompe des lasers à 405, 532 et 660 nm, respectivement. Comme le montre la figure 7a, les changements de TOP du MF nu sont inférieurs à 0,03  dB sous une irradiation laser à 405 nm. Des résultats similaires sont obtenus pour les lasers à 532 et 660 nm. Les variations TOP sont inférieures à 0,02 et 0,03  dB pour les lasers 532 et 660 nm, respectivement.

TOP change avec différentes puissances de pompe sous a Laser 405 nm, b laser 532 nm et c Eclairage laser 660 nm

Puis le TOP du MF enduit de WSe₂ nanofeuilles est mesurée sous différentes puissances de pompe. Les expériences sont réalisées avec une puissance laser de 405 nm (violet) (LSR405NL, Lasever Inc.) allant de 0  à 13,3 mW. La figure 8a trace la variation de puissance relative du MF revêtu de WSe₂ nanofeuillets sous un éclairage laser de 405 nm. Le TOP augmente avec la puissance de la pompe. Lorsque la puissance de pompage du laser 405 nm augmente de 0 à 13,3 µmW, la variation TOP est de 4,2 µdB. La variation TOP est également de 4,2 dB lorsque la puissance laser de 405 m passe de 13,3 à 0 mW. Afin d'analyser la relation entre le TOP et la puissance laser à 405 nm, les valeurs moyennes du TOP pour différentes étapes de puissance de pompe sur la figure 8a sont extraites. Le changement de TOP avec la puissance lumineuse de la pompe est illustré à la Fig. 8b. La sensibilité de la variation TOP à la puissance de la pompe est déterminée par la pente de la courbe d'ajustement linéaire. Une sensibilité de 0,30  dB/mW est obtenue à la fois pour l'augmentation de la puissance violette et la diminution de la puissance violette, vérifiant que le contrôle tout optique de la lumière a une bonne répétabilité et stabilité. Le contrôle tout optique de la lumière du MF revêtu de Wse₂ nanofeuilles est analysé avec les lasers 532 et 660 nm. La figure 8c présente la variation TOP lorsque la puissance laser de 532 nm (vert) augmente de 0 à 13,3  mW. Le TOP change avec la puissance du laser vert. Les variations de puissance relatives sont de 3,2 dB à la fois pour une puissance de pompe croissante (de 0 à 13,3 mW) et une puissance de pompe décroissante (de 13,3 à 0 mW). La variation TOP pour différentes puissances lumineuses de pompage est tracée sur la figure 8d. Les sensibilités sont de 0,23  dB/mW pour les processus d'augmentation et de diminution. Des résultats similaires sont obtenus pour la pompe laser à 660 nm (rouge). Comme le montre la figure 8e, le TOP augmente de 2,9 dB lorsque la puissance du laser rouge augmente de 0 à 17,0  mW, et le changement de puissance est le même pour le processus de diminution. Les sensibilités sous l'éclairage laser rouge sont obtenues à partir de la figure 8f, qui sont de 0,16 dB/mW pour la puissance de pompage croissante (de 0 à 17,0  mW) et la puissance de pompage décroissante (de 17,0 à 0 mW). Sur les figures 8b, d et f pour le réglage tout optique, la linéarité est différente. Pendant le processus d'augmentation de puissance, le R ² les valeurs sont respectivement de 0,907, 0,976 et 0,984 pour les lasers violet, vert et rouge. Le R ² des valeurs de 0,915, 0,977 et 0,991 sont obtenues dans le processus de puissance décroissante pour les lasers violet, vert et rouge, respectivement. Ici, le laser violet offre une meilleure sensibilité mais la linéarité du laser rouge est meilleure. Cependant, pour le contrôle tout optique de la lumière dans MoSe_2- MF revêtue, la lumière à 980 nm a une meilleure linéarité et sensibilité que la lumière à 405 nm [17]. Par conséquent, il n'y a pas de relation cohérente entre la linéarité et la sensibilité pour différents appareils sous différents lasers de pompe. Nous pensons que la linéarité et la sensibilité sont liées au matériau 2D, à la méthode de dépôt, à la structure des fibres et à la stabilité de la lumière de pompage.

un Variation TOP sous différentes puissances laser de 405 nm. b Variation TOP par rapport à la puissance lumineuse de la pompe à 405 nm. c Variation TOP sous différentes puissances laser de 532 nm. d Variation TOP par rapport à la puissance de la lumière de pompage de 532 nm. e Variation TOP sous différentes puissances laser de 660 nm. f Variation TOP par rapport à la puissance lumineuse de la pompe à 660 nm

Il est à noter que la température du MF revêtu de WSe₂ change sous l'éclairage laser. La température est enregistrée par un thermocouple lorsque la puissance de la pompe change. La figure 9a montre le changement de température pour diverses puissances de pompage violet. La température augmente avec la puissance de la pompe. La température augmente de 21,6  à 28,1 °C lorsque la puissance de la pompe violette augmente de 0 à 13,3 mW. Lorsque la puissance de la pompe violette diminue de 13,3 à 0 mW, la température diminue de 28,1 à 22,0 °C. Les variations de température sont également surveillées pour les lasers à pompe vert et rouge. Comme le montre la figure 9b, l'augmentation et la diminution des puissances du laser vert dans la plage de 0 à 13,3 mW peuvent induire des variations de température de 6,7 °C et 6,1 °C, respectivement. La figure 9c montre la variation de température sous la pompe laser rouge, qui a la même tendance variable. La température change de 7,1 °C et 7,0 °C lorsque la puissance de la pompe rouge varie entre 0 et 17,0 mW. La température en fonction de la puissance de la pompe est représentée sur la figure 10. Comme le montre la figure 10a, l'ajustement linéaire de la variation de température donne des sensibilités de 0,46 °C/mW et de 0,44 °C/mW pour l'augmentation et la diminution de la puissance de la pompe violette. , respectivement. La figure 10b montre les sensibilités à la température qui sont de 0,44 °C/mW et de 0,41 °C/mW pour l'augmentation et la diminution de la puissance de la pompe verte, respectivement. Pour le processus d'augmentation et de diminution de la puissance de la pompe rouge, les sensibilités à la température mesurées sont de 0,41 °C/mW. Les résultats indiquent le WSe₂ peuvent être considérés comme des appareils de chauffage efficaces et compacts pour le contrôle tout optique et le réglage thermo-optique [38]. Afin d'étudier l'influence de la température ambiante sur les performances de l'appareil, le MF recouvert de WSe₂ nanosheets est placé sur une plaque chauffante en céramique (CHP-250DF, AS ONE) pour la mesure TOP. Comme le montre la figure 11a, les variations TOP sont inférieures à 0,03 dB lorsque la température de la chambre passe de 22 à 30°C. Les résultats qui vérifient que cet appareil est insensible à la température ambiante. Comme le montre la figure 11a, les variations TOP sont inférieures à 0,03 dB lorsque la température de la chambre passe de 22 à 30°C. Les résultats qui vérifient que cet appareil est insensible à la température ambiante. Ce dispositif est relativement stable lorsqu'il est utilisé à haute température pour un réglage tout optique. Comme le montre la figure 11b, lorsque la température augmente lentement de 70  à 100 °C, les variations TOP sont inférieures à 0,55 dB.

Température du MF revêtu de WSe₂ nanofeuilles pour différents a puissance de pompage violet, b puissance de la pompe verte, et c puissance de la pompe rouge

Température en fonction de la puissance de la pompe pour a laser violet, b laser vert, et c laser rouge

DESSUS du MF enduit de WSe₂ nanofeuilles sous a température ambiante différente et b haute température

La réponse transitoire du MF recouvert de WSe₂ nanofeuilles est mesurée à l'aide de la configuration expérimentale illustrée à la Fig. 12. Le laser à 1550 nm est connecté à l'entrée de la MF. Les sorties des lasers violet, vert et rouge sont modulées par un générateur de signaux (AFG 3102, Tektronix). La sortie du générateur de signal est une onde carrée. Un photodétecteur (modèle 1811, New Focus) et un oscilloscope (DS1052E, RIGOL) sont utilisés pour surveiller la sortie du MF. La figure 13 a–c montre la réponse contrôlée par l'oscilloscope sous un éclairage laser violet, vert et rouge, respectivement. Comme le montre la figure 13a, les puissances de la pompe violette sont de 16,8, 20,3 et 22,8  mW pour la mesure du temps de réponse. Le temps de montée et le temps de descente sont mesurés à 17,9 et 18,4  ms pour le laser violet, respectivement. Pour l'éclairage laser vert, les puissances de pompage sont de 8,3, 13,7 et 20,0 mW, comme le montre la figure 13b. Le temps de montée et le temps de descente sont mesurés à 15,3 et 16,9  ms pour le laser vert, respectivement. Comme le montre la figure 13c, sous un éclairage laser rouge avec des puissances de pompage de 10,7, 16,8 et 20,5 mW, le temps de montée et le temps de chute sont respectivement de 16,9 et 18,3  ms.

Montage expérimental de la mesure de la réponse transitoire

Temps de réponse du MF revêtu de WSe₂ nanofeuilles avec une longueur d'onde de lumière de pompage de a éclairage laser violet, b éclairage laser vert, et c éclairage laser rouge

La sensibilité de réglage de TOP est différente pour les lasers à pompe violet, vert et rouge. C'est parce que l'absorption est beaucoup plus forte aux longueurs d'onde plus courtes, comme le montre la figure 1b. Le contrôle tout optique de TOP est dû à la combinaison de l'effet thermo-optique et des porteurs générés par des photons en MF avec WSe₂ . L'interaction entre la lumière de la pompe externe et WSe₂ induit un changement d'indice effectif de WSe₂ . Le WSe₂ les nanofeuillets absorbent la lumière laser de la pompe. La température de MF avec WSe₂ augmente avec la puissance de la pompe, comme le montrent les Fig. 9 et 10. La partie réelle de l'indice de réfraction (n _r ) de WSe₂ diminue lorsque la température du MF avec WSe₂ augmente [39]. Le n _r diminue également en raison de l'augmentation des concentrations de porteurs qui est liée à la conductivité de WSe₂ nanofeuillets [40]. En conséquence, l'indice de réfraction effectif (n _eff ) de modes guidés en MF revêtus de WSe₂ est varié par un éclairage laser externe. Les porteurs générés par les photons conduisent également à une variation d'indice de WSe₂ et changement du n _eff [38]. Par conséquent, le TOP peut être modifié avec des lasers à pompe externes. En utilisant la méthode des éléments finis, des simulations sont effectuées pour étudier les mécanismes du réglage TOP. Comme le montre la figure 14a, la partie réelle de n _eff augmente avec n _r . La vraie partie de n _eff passe de 1,4559 à 1,4567 avec n _r variant de 2,44 à 2,64 [41, 42]. La distribution du champ électrique du mode avec n _eff de 1,4559 est montré dans l'encart de la Fig. 14a. Variation de n _r fournit des distributions de champ électrique de différents modes. En intégrant la distribution du champ électrique de toute la section transversale, l'énergie électrique de sortie est calculée. Comme le montre la figure 14b, l'énergie électrique de sortie diminue avec n _r de 2,44 à 2,64 avec un taux de 1,76 × 10 ⁷ W/m. ² Par conséquent, la puissance de sortie augmente avec la puissance de la pompe externe. Les résultats de la simulation concordent bien avec les résultats expérimentaux. Afin d'étudier l'impact du WSe₂ numéro de couche sur les performances de l'appareil, les simulations ont été effectuées par la méthode des éléments finis dans COMSOL. L'épaisseur du WSe₂ à quatre couches nanofeuille est de 2,8  nm, et l'indice de réfraction correspondant de WSe₂ est de 3,7 + 0,2i [43]. L'ajustement linéaire de la partie réelle de n _eff contre n _r est représenté sur la figure 15a. La vraie partie de n _eff augmente avec n _r lorsqu'il varie de 3,50 à 3,70. La distribution du champ électrique du mode pour n _eff de 1.4550619 est montré dans l'encart de la figure 15a qui est circulairement symétrique. En comparaison, la distribution du champ électrique du mode de la figure 14a est asymétrique puisque la lumière est absorbée par le WSe₂ à 150 nm nanofeuille. L'énergie électrique de sortie diminue lorsque n _r passe de 3,50 à 3,70 avec un taux de 1,41 × 10 ⁴ W/m ² , comme le montre la figure 15b. Le taux de variation d'énergie électrique de sortie du 150 nm WSe₂ la nanofeuille est beaucoup plus grande que celle du WSe₂ 2,8 nm nanofeuille, indiquant l'épaisseur WSe₂ nanosheet offre de meilleures performances pour le réglage tout optique.

un La partie réelle du mode de n _eff en fonction de n _r pour 150 nm WSe₂ nanofeuille. Et l'encart est la distribution du champ électrique du mode avec n _eff de 1,4559. b Dépendance de l'énergie électrique de sortie sur n _r pour 150 nm WSe₂ nanofeuille

un La partie réelle du mode de n _eff contre n _r pour le WSe₂ à quatre couches nanofeuille. Et l'encart est la distribution du champ électrique du mode avec n _eff de 1.4550619. b Dépendance de l'énergie électrique de sortie sur n _r pour le WSe₂ à quatre couches nanofeuille

Le domaine temporel des différences finies 3D (FDTD) (solution FDTD Lumerical) a été utilisé pour calculer la puissance de sortie de la MF superposée avec WSe₂ . Le schéma de la configuration de l'appareil pour le calcul de la puissance de sortie est illustré à la Fig. 16a. Dans le modèle, l'épaisseur de WSe₂ couche, le diamètre du MF et l'indice de réfraction du MF ont été fixés à 150 nm, 9,5 m et 1,46, respectivement. La longueur du MF est fixée à 10 μm pour le calcul qualitatif. Le x , y et z directions ont une résolution de grille de 10 nm. La distribution du champ électrique dans le x -z coupe transversale plane à y =0 m est représenté sur la figure 16b. La transmission calculée est illustrée à la Fig. 17. Comme illustré à la Fig.17a, la transmission de la MF diminue avec n _r , et la tendance de variation est cohérente avec les résultats obtenus avec COMSOL. Les pertes sont de 10,80 et 10,94 dB/mm pour n _r =2,44 et n _r =2,64, respectivement. Ensuite, la transmission de MF pour les longueurs d'onde de 1530 à 1570 nm a été calculée avec l'indice de réfraction de WSe₂ nanofeuille fixée à 2,64 + 0,2i. Comme le montre la figure 17b, la transmission diminue avec la longueur d'onde. La perte variait de 10,58 à 10,85 dB/mm lorsque la longueur d'onde passait de 1530 à 1570  nm.

un Le schéma de la configuration de l'appareil pour le calcul avec 3D FDTD. b La distribution du champ électrique dans le x -z coupe plane

Transmission calculée en fonction de a n _r et b longueur d'onde

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.

Conclusions

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.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

DFB :

Distributed feedback laser; SEM

Microscopie électronique à balayage

MF:

Microfiber

MKR:

Microfiber knot resonator

n _eff :

Effective refractive index

n _r :

Refractive index

SPF:

Side-polished fiber

TMD :

Dichalcogénures de métaux de transition

TOP:

Transmitted optical power