Contrôle optique précis de la transmission lumineuse dans des microfibres revêtues de WSe₂

Résumé

Le diséléniure de tungstène (WSe₂) a suscité un intérêt considérable en raison de ses applications polyvalentes, telles que les jonctions p-n, les transistors, les lasers à fibre, la spintronique et la conversion de l'énergie solaire en électricité. Nous démontrons un accordage tout-optique de la lumière dans une microfibre (MF) revêtue de WSe₂ en utilisant la large bande d'absorption du WSe₂ et son effet thermo-optique. La puissance optique transmise (TOP) peut être ajustée à l'aide de lasers de pompe externes (405, 532 et 660 nm). La sensibilité sous excitation par laser 405 nm est de 0,30 dB/mW. Un temps de montée/descente d'environ 15,3/16,9 ms est atteint sous excitation par laser 532 nm. Des simulations théoriques sont effectuées pour étudier le mécanisme d'accordage du TOP. Les avantages de ce dispositif sont sa fabrication facile, son contrôle tout-optique, sa haute sensibilité et sa réponse rapide. Le dispositif tout-optique accordable proposé a des applications potentielles dans les circuits tout-optique, les modulateurs tout-optique et les dispositifs optiques accordables multidimensionnels, etc.

Introduction

L'optoélectronique, la photonique et la microélectronique sont importantes et indispensables dans les systèmes de télécommunication modernes. Les dispositifs photoniques composés de composants optiques à l'échelle micro- ou nanométrique sont développés pour atteindre une structure miniaturisée, une réponse rapide et une haute sensibilité. Les dispositifs tout-optique accordables peuvent être appliqués dans les communications optiques et le traitement du signal. Le contrôle lumière-lumière dans la fibre a été rapporté, mais il reste un défi d'améliorer les performances, en particulier la sensibilité de la puissance optique transmise (TOP) et le temps de réponse. L'un des bons moyens d'améliorer les performances est d'utiliser les dichalcogénures de métaux de transition bidimensionnels (2D TMD), qui ont été largement utilisés dans les applications de capteurs, dispositifs optoélectroniques, transistors, absorbeurs saturables et dispositifs de mémoire. La modulation tout-optique a été réalisée avec une microfibre (MF) décorée de graphène, une MF recouverte de graphène et des structures stéréo graphène-MF. L'accordage de dispositifs MF a été réalisé lorsque la MF est connectée à différents matériaux, tels que cristal liquide, niobate de lithium et polymère. Un résonateur à nœud de microfibre (MKR) tout-optique accordable avec ses faces supérieure et inférieure recouvertes de graphène a été réalisé. Le revêtement de la surface lisse et sans perte de la MF avec différents matériaux 2D permet la fonctionnalité lumière-contrôle-lumière de la MF et du résonateur MF. Le contrôle tout-optique de la lumière dans un MKR revêtu de WS₂ 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. La fonctionnalité lumière-contrôle-lumière tout-optique d'un MKR revêtu de SnS₂ a également été réalisée ; le taux de variation TOP par rapport à la lumière violette est ~0,22 dB/mW et le temps de réponse est aussi rapide que ~3,2 ms. Le TOP de la MF enveloppée d'oxyde de graphène réduit a été manipulé par la lumière de pompe violette avec un taux de variation de ~0,21 dB/mW. Les propriétés lumière-contrôle-lumière tout-optique de MF revêtue de MoSe₂ ont également été étudiées ; la sensibilité TOP est ~0,165 dB/mW sous lumière de pompe violette et le temps de montée de la réponse transitoire est ~0,6 s. La sensibilité TOP et le temps de réponse sont des propriétés importantes des dispositifs MF. Pour des applications telles que l'accordage tout-optique et la modulation optique, des améliorations de la sensibilité TOP et du temps de réponse sont requises.

En tant qu'exemple typique de matériaux TMD, le diséléniure de tungstène (WSe₂) a reçu un grand intérêt de recherche et constitue des blocs de construction potentiellement importants pour l'électronique et l'optoélectronique. Le WSe₂ a un coefficient Seebeck élevé, une conductivité thermique ultra-faible et une ambipolarité, le rendant attractif pour l'électronique flexible. Par exemple, l'accordage électrique de jonctions p-n a été réalisé basé sur l'ambipolarité du WSe₂. Le contrôle électrique de la génération de second harmonique dans un transistor monocouche WSe₂ a été rapporté en utilisant les forts effets de charge d'exciton dans le WSe₂. Le WSe₂ a un grand coefficient d'absorption dans les régions visible et proche infrarouge, exploité dans la conversion de l'énergie solaire en électricité. Comparé au sulfure, le séléniure est plus stable et résistant à l'oxydation dans des conditions ambiantes. De plus, le WSe₂ fournit une mobilité de trous intrinsèque élevée de 500 cm² V⁻¹ s⁻¹, bien supérieure à celle du MoS₂. En utilisant cette propriété du WSe₂, des transistors à effet de champ p- et n-type à haute mobilité ont été rapportés avec du WSe₂ monocouche. Le WSe₂ monocouche montre un gap direct avec une forte photoluminescence. Les propriétés d'absorption saturable non-linéaire du WSe₂ ont été appliquées comme absorbeurs saturables dans les lasers à fibre. Le WSe₂ montre un grand potentiel pour le contrôle tout-optique de la lumière dans les dispositifs à fibre basés sur WSe₂.

Les fibres optiques MF sont des fibres effilées avec un diamètre de quelques à plus de 10 µm. La MF est fabriquée par simple tirage d'effilage chauffé à la flamme de la fibre sous chaleur. En résultat, un effilage biconique est formé fournissant une plateforme pour l'interaction entre la lumière guidée et l'environnement et la connexion à d'autres composants fibrés. Le profil de la MF peut être finement ajusté pour convenir à différentes applications en contrôlant la vitesse et le temps de tirage dans le processus de fabrication. La MF a des avantages de grands champs évanescents, configurabilité, faible perte optique, confinement optique serré et flexibilité mécanique exceptionnelle. Le confinement optique serré de la MF fournit une approche prometteuse pour les circuits optiques à faible encombrement et les effets non-linéaires optiques à faible seuil. Une interaction forte et rapide entre la lumière guidée et l'environnement peut être obtenue basée sur les forts champs évanescents de la MF. Cette propriété de la MF a été exploitée pour la détection optique avec différentes configurations, telles que les réseaux de Bragg inscrits sur MF, les MF fonctionnalisés en surface et l'interféromètre Mach-Zehnder. L'interaction forte lumière-matière fournie par la MF a également été appliquée pour réaliser des modulateurs tout-optique, des lasers à fibre ultrarapides, et la fonctionnalité d'accordage et lumière-contrôle-lumière.

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

Méthodes

La concentration des dispersions de WSe₂ était de 1 mg/ml, obtenue par méthode d'exfoliation liquide. Afin d'obtenir des nano-feuilles de WSe₂ à distribution uniforme, un traitement ultrasons des dispersions de WSe₂ pendant ~30 min a été effectué. Pour caractériser les nano-feuilles de WSe₂, des spectres Raman et d'absorption UV-VIS ont été mesurés. Le spectre Raman de WSe₂ excité par un laser 488 nm est montré en Fig. 1a. Les nano-feuilles de WSe₂ affichent un unique mode vibrationnel fort autour de 252,2 cm⁻¹, résultat de la dégénérescence des modes E₂g et A₁g. Un pic Raman additionnel apparaît à 5–11 cm⁻¹ lorsque les flocons de WSe₂ sont plus minces que quatre couches. Le spectre d'absorption des nano-feuilles de WSe₂ mesuré par un spectrophotomètre UV–VIS (UV–2600, SHIMADZU) est montré en Fig. 1b. Dans la gamme de longueurs d'onde de 300 à 700 nm, les nano-feuilles de WSe₂ 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 montré en Fig. 1b.

Contrôle optique précis de la transmission lumineuse dans des microfibres revêtues de WSe₂

La MF a été fabriquée en utilisant la technique de « flame-brushing ». La MF a été obtenue en tirant un morceau de fibre monomode standard de Corning Inc. à une vitesse de ~0,2 mm/s, chauffée par une flamme. Afin de réaliser le contrôle tout-optique de la lumière dans une MF revêtue de WSe₂, une taille de taille appropriée de la MF est requise. Une taille de MF plus petite permet une interaction plus forte entre la lumière et le WSe₂, mais le TOP pourrait être trop faible pour être détecté car la perte est grande. La Figure 2a montre la MF fabriquée avec un diamètre de ∼9,5 µm dans la région de taille uniforme. L'encart de la Fig. 2a est l'image microscopique de la MF avec un laser 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 montré en Fig. 2b, la région de taille de la MF a une longueur de ∼6 mm et un diamètre de ∼9,5 µm. La longueur totale de la MF est ∼25 mm.

L'étape suivante était le dépôt des nano-feuilles de WSe₂ sur la MF. Avant le dépôt, la MF a été fixée à un bassin en verre (20 mm × 5 mm × 1 mm) fait de verre et d'adhésif UV (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific). Ensuite, la dispersion de WSe₂ a été déposée goutte à goutte sur la MF à l'aide d'une pipette. Le TOP de la MF pendant le processus de dépôt a été surveillé à l'aide d'un laser DFB (distributed feedback) à 1550 nm. Comme montré en Fig. 3, avant le dépôt, le TOP est d'environ −10 dBm. Après 5 min de dépôt, le TOP diminue fortement à −43 dBm. Puis le TOP augmente à −35 dBm après 14 min. Le TOP devient stable à −37 dBm, indiquant que le dépôt est terminé.

L'image de microscopie électronique à balayage (MEB) de la MF revêtue de nano-feuilles de WSe₂ est montrée en Fig. 4. La Fig. 4a montre les nano-feuilles de WSe₂ précipitées sur la MF de diamètre ~9,5 µm, et son image agrandie est montrée dans l'encart de la Fig. 4a. La vue en coupe de la MF revêtue de nano-feuilles de WSe₂ est montrée en Fig. 4b. L'encart de la Fig. 4b montre que l'épaisseur des nano-feuilles de WSe₂ déposées est ~150 nm.

Pour étudier l'absorption de la lumière du film WSe₂, la guidage de la lumière dans la MF revêtue de WSe₂ a été simulé par la méthode des éléments finis dans COMSOL. Dans le modèle, une couche WSe₂ de 150 nm est enroulée autour de la MF ~9,5 µm. Les indices de réfraction de la MF et de la nano-feuille WSe₂ sont 1,46 et 2,64 + 0,2i, respectivement. La fenêtre de calcul est 20 µm × 20 µm et la taille de maillage est 50 nm. La longueur d'onde était fixée à 1550 nm. Les distributions de champ de mode de la MF et de la MF revêtue de WSe₂ ont été calculées. La Figure 5a montre la distribution de mode 2D à 1550 nm. L'indice effectif du mode dans la MF avec la couche WSe₂ correspondant à la Fig. 5a est 1,4567–2,04 × 10⁻³ i, indiquant l'absorption du WSe₂. La distribution radiale du champ de la MF nue et de la MF revêtue de WSe₂ le long de la ligne pointillée blanche de la Fig. 5a est tracée en Fig. 5b. La distribution radiale du champ a la même intensité de pic à ~0 µm. Dans l'image zoomée de la Fig. 5b, la distribution de champ de la MF revêtue de WSe₂ montre une variation abrupte résultant de la discontinuité d'indice.

Le contrôle tout-optique de la lumière dans la MF revêtue de WSe₂ est caractérisé à l'aide du montage expérimental montré en Fig. 6. Le laser DFB 1550 nm (SOF–155–D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) est connecté à l'entrée du dispositif, et la sortie est surveillée par le wattmètre optique. Les lasers 405, 532 et 660 nm sont utilisés pour la pompe externe. La MF revêtue de WSe₂ est irradiée par les lasers placés ~10 cm au-dessus de l'échantillon. Premièrement, le TOP de la MF sans WSe₂ est mesuré en utilisant ce montage expérimental.

Résultats et discussion

La Figure 7a–c montre la variation de puissance relative pour diverses puissances de pompe des lasers 405, 532 et 660 nm, respectivement. Comme montré en Fig. 7a, les changements de TOP de la MF nue sont inférieurs à 0,03 dB sous irradiation laser 405 nm. Des résultats similaires sont obtenus pour les lasers 532 et 660 nm. Les variations TOP sont inférieures à 0,02 et 0,03 dB pour les lasers 532 et 660 nm, respectivement.

Ensuite, le TOP de la MF revêtue de nano-feuilles WSe₂ est mesuré sous différentes puissances de pompe. Les expériences sont effectuées avec le laser 405 nm (violet) puissance (LSR405NL, Lasever Inc.) variant de 0 à 13,3 mW. La Figure 8a trace la variation de puissance relative de la MF revêtue de nano-feuilles WSe₂ sous illumination laser 405 nm. Le TOP augmente avec la puissance de pompe. Lorsque la puissance de pompe du laser 405 nm augmente de 0 à 13,3 mW, la variation TOP est de 4,2 dB. La variation TOP est également de 4,2 dB lorsque la puissance du laser 405 nm diminue de 13,3 à 0 mW. Afin d'analyser la relation entre le TOP et la puissance du laser 405 nm, les valeurs moyennes du TOP pour différents paliers de puissance de pompe dans la Fig. 8a sont extraites. Le changement de TOP avec la puissance de lumière de pompe est montré en Fig. 8b. La sensibilité de la variation TOP à la puissance de pompe est déterminée par la pente de la courbe d'ajustement linéaire. Une sensibilité de 0,30 dB/mW est obtenue pour l'augmentation 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 de la MF revêtue de nano-feuilles WSe₂ est analysé avec les lasers 532 et 660 nm. La Figure 8c présente la variation TOP lorsque la puissance du laser 532 nm (vert) augmente de 0 à 13,3 mW. Le TOP change avec la puissance du laser vert. Les variations de puissance relative sont de 3,2 dB pour l'augmentation et la diminution de la puissance de pompe (de 0 à 13,3 mW et de 13,3 à 0 mW). La variation TOP pour différentes puissances de lumière de pompe est tracée en Fig. 8d. Les sensibilités sont de 0,23 dB/mW pour les deux processus d'augmentation et de diminution. Des résultats similaires sont obtenus pour le laser de pompe 660 nm (rouge). Comme montré en Fig. 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 illumination laser rouge sont obtenues de la Fig. 8f, qui sont de 0,16 dB/mW pour l'augmentation (de 0 à 17,0 mW) et la diminution (de 17,0 à 0 mW) de la puissance de pompe. Dans la Fig. 8b, d et f pour l'accordage tout-optique, la linéarité est différente. Pendant le processus d'augmentation de puissance, les valeurs R² sont 0,907, 0,976 et 0,984 pour les lasers violet, vert et rouge, respectivement. Les valeurs R² de 0,915, 0,977 et 0,991 sont obtenues dans le processus de diminution de puissance pour les lasers violet, vert et rouge, respectivement. Ici, le laser violet fournit une meilleure sensibilité mais la linéarité du laser rouge est meilleure. Cependant, pour le contrôle tout-optique de la lumière dans une MF revêtue de MoSe₂, la lumière 980 nm a une meilleure linéarité et sensibilité que la lumière 405 nm. Par conséquent, il n'y a pas de relation cohérente entre linéarité et sensibilité pour différents dispositifs sous différentes pompes laser. Nous pensons que la linéarité et la sensibilité sont liées au matériau 2D, la méthode de dépôt, la structure de la fibre et la stabilité de la lumière de pompe.

Il convient de noter que la température de la MF revêtue de WSe₂ change sous illumination laser. La température est enregistrée par un thermocouple lorsque la puissance de pompe change. La Figure 9a montre le changement de température pour diverses puissances de pompe violette. La température augmente avec la puissance de pompe. La température passe de 21,6 à 28,1 °C lorsque la puissance de pompe violette augmente de 0 à 13,3 mW. Lorsque la puissance de 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 de pompe vert et rouge. Comme montré en Fig. 9b, l'augmentation et la diminution des puissances laser vert dans la gamme 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 pompe laser rouge, qui a la même tendance variable. La température change de 7,1 °C et 7,0 °C lorsque la puissance de pompe rouge varie entre 0 et 17,0 mW. La température en fonction de la puissance de pompe est tracée en Fig. 10. Comme montré en Fig. 10a, l'ajustement linéaire de la variation de température donne des sensibilités de 0,46 °C/mW et 0,44 °C/mW pour l'augmentation et la diminution de la puissance de pompe violette, respectivement. La Figure 10b montre les sensibilités de température qui sont 0,44 °C/mW et 0,41 °C/mW pour l'augmentation et la diminution de la puissance de pompe verte, respectivement. Pour l'augmentation et la diminution de la puissance de pompe rouge, les sensibilités de température sont mesurées à 0,41 °C/mW. Les résultats indiquent que le WSe₂ peut être considéré comme des chauffages efficaces et compacts pour le contrôle tout-optique et l'accordage thermo-optique. Afin d'étudier l'influence de la température ambiante sur les performances du dispositif, la MF revêtue de nano-feuilles WSe₂ est placée sur une plaque chauffante en céramique (CHP–250DF, AS ONE) pour la mesure du TOP. Comme montré en Fig. 11a, les variations TOP sont inférieures à 0,03 dB lorsque la température de la chambre est changée de 22 à 30 °C. Les résultats vérifient que ce dispositif est insensible à la température ambiante. Ce dispositif est relativement stable lorsqu'il est utilisé à haute température pour l'accordage tout-optique. Comme montré en Fig. 11b, lorsque la température est augmentée lentement de 70 à 100 °C, les variations TOP sont inférieures à 0,55 dB.

La réponse transitoire de la MF revêtue de nano-feuilles WSe₂ est mesurée en utilisant le montage expérimental montré en Fig. 12. Le laser 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 signaux est une onde carrée. Un photodétecteur (Modèle 1811, New Focus) et un oscilloscope (DS1052E, RIGOL) sont utilisés pour surveiller la sortie de la MF. La Figure 13a–c montre la réponse surveillée par l'oscilloscope sous illumination violet, vert et rouge, respectivement. Comme montré en Fig. 13a, les puissances de pompe violette sont 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'illumination laser verte, les puissances de pompe sont 8,3, 13,7 et 20,0 mW, comme montré en Fig. 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 montré en Fig. 13c, sous illumination laser rouge avec des puissances de pompe de 10,7, 16,8 et 20,5 mW, le temps de montée et le temps de descente sont de 16,9 et 18,3 ms, respectivement.

La sensibilité d'accordage du TOP est différente pour les lasers de pompe violet, vert et rouge. Cela est dû au fait que l'absorption est beaucoup plus forte aux courtes longueurs d'onde, comme montré en Fig. 1b. Le contrôle tout-optique du TOP est dû à la combinaison de l'effet thermo-optique et des porteurs générés par photons dans la MF avec WSe₂. L'interaction entre la lumière de pompe externe et le WSe₂ induit un changement d'indice effectif du WSe₂. Les nano-feuilles WSe₂ absorbent la lumière du laser de pompe. La température de la MF avec WSe₂ augmente avec la puissance de pompe, comme montré en Figs. 9 et 10. La partie réelle de l'indice de réfraction (n_r) du WSe₂ diminue lorsque la température de la MF avec WSe₂ augmente. Le n_r diminue également en raison de l'augmentation des concentrations de porteurs liée à la conductivité des nano-feuilles WSe₂. En résultat, l'indice de réfraction effectif (n_eff) des modes guidés dans la MF revêtue de WSe₂ est varié par l'illumination laser externe. Les porteurs générés par photons entraînent également une variation d'indice du WSe₂ et un changement du n_eff. Par conséquent, le TOP peut être changé avec les lasers de pompe externes. En utilisant la méthode des éléments finis, des simulations sont effectuées pour étudier les mécanismes d'accordage du TOP. Comme montré en Fig. 14a, la partie réelle de n_eff augmente avec n_r. La partie réelle de n_eff augmente de 1,4559 à 1,4567 avec n_r variant de 2,44 à 2,64. La distribution de champ électrique du mode avec n_eff de 1,4559 est montrée dans l'encart de la Fig. 14a. La variation de n_r fournit différentes distributions de champ électrique de mode. En intégrant la distribution de champ électrique de toute la section transversale, l'énergie électrique de sortie est calculée. Comme montré en Fig. 14b, l'énergie électrique de sortie diminue avec n_r de 2,44 à 2,64 avec un taux de 1,76 × 10⁷ W/m². Par conséquent, la puissance de sortie augmente avec la puissance de pompe externe. Les résultats de simulation concordent bien avec les résultats expérimentaux. Afin d'étudier l'impact du nombre de couches de WSe₂ sur les performances du dispositif, des simulations ont été effectuées par la méthode des éléments finis dans COMSOL. L'épaisseur de la nano-feuille WSe₂ à quatre couches est de 2,8 nm, et l'indice de réfraction correspondant de WSe₂ est 3,7 + 0,2i. L'ajustement linéaire de la partie réelle de n_eff versus n_r est montré en Fig. 15a. La partie réelle de n_eff augmente avec n_r lorsqu'elle varie de 3,50 à 3,70. La distribution de champ électrique du mode pour n_eff de 1,4550619 est montrée dans l'encart de la Fig. 15a qui est circulairement symétrique. En comparaison, la distribution de champ électrique du mode dans la Fig. 14a est asymétrique car la lumière est absorbée par la nano-feuille WSe₂ de 150 nm. L'énergie électrique de sortie diminue lorsque n_r augmente de 3,50 à 3,70 avec un taux de 1,41 × 10⁴ W/m², comme montré en Fig. 15b. Le taux de variation de l'énergie électrique de sortie de la nano-feuille WSe₂ de 150 nm est beaucoup plus grand que celui de la nano-feuille WSe₂ de 2,8 nm, indiquant que la nano-feuille WSe₂ épaisse fournit de meilleures performances pour l'accordage tout-optique.

La méthode 3D finite-difference time-domain (FDTD) (Lumerical FDTD Solution) a été utilisée pour calculer la puissance de sortie de la MF recouverte de WSe₂. Le schéma de la configuration du dispositif pour le calcul de la puissance de sortie est montré en Fig. 16a. Dans le modèle, l'épaisseur de la couche WSe₂, le diamètre de la MF et l'indice de réfraction de la MF étaient fixés à 150 nm, 9,5 µm et 1,46 respectivement. La longueur de la MF est fixée à 10 µm pour un calcul qualitatif. Les directions x, y et z ont une résolution de grille de 10 nm. La distribution de champ électrique dans la coupe transversale du plan x-z à y = 0 µm est montrée en Fig. 16b. La transmission calculée est montrée en Fig. 17. Comme montré en 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 10,80 et 10,94 dB/mm pour n_r = 2,44 et n_r = 2,64 respectivement. Ensuite, la transmission de la MF pour les longueurs d'onde de 1530 à 1570 nm a été calculée avec l'indice de réfraction de la nano-feuille WSe₂ fixé à 2,64 + 0,2i. Comme montré en Fig. 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 changeait de 1530 à 1570 nm.

Les performances des dispositifs lumière-contrôle-lumière sont comparées en termes de sensibilité TOP et temps de réponse à différentes longueurs d'onde de lumière de pompe, comme listé dans le Tableau 1. La structure de contrôle tout-optique de la lumière démontrée ici a une sensibilité plus élevée comparée à la MF, MKR et la fibre à polissage latéral (SPF) combinées avec divers matériaux. La MF revêtue de WSe₂ a une réponse plus rapide que les structures d'accordage tout-optique telles que MKR combiné avec WS₂, MF surchargée de MoSe₂, SPF combiné avec cristaux liquides, et MF recouverte de WS₂. Différents facteurs contribuent à une sensibilité TOP plus élevée et un temps de réponse plus rapide de la MF surchargée de WSe₂. Premièrement, le WSe₂ fournit une large bande d'absorption dans la lumière visible et un effet thermo-optique pour l'accordage tout-optique. Deuxièmement, la structure MF est optimisée pour améliorer l'interaction lumière-matière. Troisièmement, la méthode de revêtement des nano-feuilles WSe₂ permet un contrôle précis de l'épaisseur et un dépôt uniforme du matériau.

Conclusions

Nous avons fabriqué et démontré l'accordage tout-optique de la lumière dans une MF revêtue de WSe₂ basé sur l'interaction entre la lumière de pompe externe et le WSe₂. Par l'irradiation externe de lumière de pompe (405, 532 et 660 nm), la large bande d'absorption du WSe₂ et son effet thermo-optique promettent un changement d'indice effectif et par la suite une variation de puissance de sortie. La sensibilité et le temps de chute de 0,30 dB/mW et 15,3 ms peuvent être obtenus, respectivement. Le mécanisme d'accordage du TOP est étudié avec des simulations. Les performances de la MF recouverte de WSe₂ telles que la sensibilité TOP et le temps de réponse peuvent être encore améliorées en utilisant un film monocouche, des méthodes de nanofabrication modernes et des dimensions de MF optimisées. Ce travail devrait promouvoir les applications réalistes du WSe₂ dans les modulateurs tout-optique, les dispositifs optiques accordables multidimensionnels, etc.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données sont pleinement disponibles sans restriction.

Abréviations

2D :: Bidimensionnel
DFB :: Laser à rétroaction distribuée ; MEB : Microscopie électronique à balayage
MF :: Microfibre
MKR :: Résonateur à nœud de microfibre
n_eff :: Indice de réfraction effectif
n_r :: Indice de réfraction
SPF :: Fibre à polissage latéral
TMDs :: Dichalcogénures de métaux de transition
TOP :: Puissance optique transmise

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