Penyetelan Cahaya Semua Optik dalam Serat Mikro Berlapis WSe2

Abstrak

Tungsten diselenide (WSe₂ ) telah menarik minat yang cukup besar karena aplikasi serbaguna mereka, seperti p-n junction, transistor, laser serat, spintronics, dan konversi energi matahari menjadi listrik. Kami mendemonstrasikan penyetelan cahaya semua optik di WSe₂ -coated microfiber (MF) menggunakan WSe₂ bandwidth penyerapan yang luas dan efek termo-optik. Daya optik yang ditransmisikan (TOP) dapat disetel menggunakan laser pompa insiden eksternal (405, 532, dan 660 nm). Sensitivitas di bawah eksitasi cahaya pompa 405-nm adalah 0,30 dB/mW. Waktu naik/turun ~ 15,3/16,9 ms dicapai di bawah eksitasi cahaya pompa 532-nm. Simulasi teoritis dilakukan untuk menyelidiki mekanisme tuning TOP. Keunggulan perangkat ini adalah fabrikasi yang mudah, kontrol semua optik, sensitivitas tinggi, dan respons yang cepat. Perangkat yang dapat disetel semua-optik yang diusulkan memiliki aplikasi potensial dalam sirkuit semua-optik, modulator semua-optik, dan perangkat optik yang dapat disetel multi-dimensi, dll.

Pengantar

Optoelektronika, fotonika, dan mikroelektronika adalah penting dan sangat diperlukan dalam sistem telekomunikasi modern. Perangkat fotonik yang terdiri dari komponen optik skala mikro atau nanometer dikembangkan untuk mencapai struktur miniatur, respons cepat, dan sensitivitas tinggi [1]. Perangkat semua-optik yang dapat disetel dapat diterapkan dalam komunikasi optik dan pemrosesan sinyal. Cahaya-kontrol-cahaya dalam serat telah dilaporkan, tetapi tetap menjadi tantangan untuk meningkatkan kinerja terutama sensitivitas dan waktu respons daya optik yang ditransmisikan (TOP). Salah satu cara yang baik untuk meningkatkan kinerja adalah menggunakan dichalcogenides logam transisi (TMDs) dua dimensi (2D), yang telah banyak digunakan dalam aplikasi sensor [2], perangkat optoelektronik [3], transistor [4], peredam jenuh [5], dan perangkat memori [6]. Modulasi all-optical telah direalisasikan dengan graphene-decorated microfiber (MF) [7], graphene-covered MF [8], dan struktur stereo graphene-MF [9]. Tuning perangkat MF telah dicapai ketika MF terhubung ke bahan yang berbeda, seperti kristal cair [10], lithium niobate [11], dan polimer [12]. All-optical tunable microfiber knot resonator (MKR) dengan bagian atas dan bawahnya ditutupi oleh graphene telah direalisasikan [13]. Melapisi permukaan MF yang halus dan tanpa kehilangan dengan bahan 2D yang berbeda memungkinkan fungsionalitas kontrol cahaya-cahaya resonator MF dan MF. Kontrol cahaya semua optik di WS₂ -dilapisi MKR telah dilaporkan dengan tingkat variasi daya yang ditransmisikan ~ 0.4 dB/mW di bawah pompa violet dan waktu respon ~ 0.1 s [14]. Fungsionalitas cahaya-kontrol-lampu semua-optik dari MKR yang dilapisi dengan SnS₂ juga telah direalisasikan; tingkat variasi TOP sehubungan dengan cahaya ungu adalah ~ 0,22 dB/mW dan waktu respons secepat ~ 3,2 ms [15]. TOP dari MF yang dibungkus dengan oksida graphene tereduksi dimanipulasi oleh lampu pompa violet dengan tingkat variasi ~ 0,21 dB/mW [16]. Semua properti light-control-light dari MoSe₂ -dilapisi-MF juga telah diselidiki; sensitivitas TOP adalah ~ 0,165 dB/mW di bawah lampu pompa violet dan waktu naik dari respon transien adalah ~ 0,6 s [17]. Sensitivitas TOP dan waktu respons adalah properti penting dari perangkat MF. Untuk aplikasi seperti penyetelan semua optik dan modulasi optik, peningkatan sensitivitas TOP dan waktu respons diperlukan.

Sebagai contoh khas bahan TMD, tungsten diselenide (WSe₂ ) telah menerima minat penelitian yang besar, dan ini berpotensi menjadi blok bangunan penting untuk elektronik dan optoelektronik. WSe₂ memiliki koefisien Seebeck yang tinggi, konduktivitas termal yang sangat rendah, dan ambipolaritas, menjadikannya kandidat yang menarik untuk elektronik fleksibel [18, 19]. Misalnya, penyetelan listrik sambungan p-n telah dicapai berdasarkan ambipolaritas WSe₂ [20]. Kontrol listrik generasi harmonik kedua di WSe₂ transistor monolayer telah dilaporkan menggunakan efek pengisian eksiton yang kuat di WSe₂ [21]. WSe₂ memiliki koefisien penyerapan yang besar di daerah terlihat dan dekat-inframerah, yang telah dimanfaatkan dalam konversi energi matahari menjadi listrik [22]. Dibandingkan dengan sulfida, selenida lebih stabil dan tahan terhadap oksidasi dalam kondisi lingkungan [23]. Selain itu, WSe₂ memberikan mobilitas lubang intrinsik yang tinggi sebesar 500 cm² V⁻¹ s⁻¹ , yang jauh lebih tinggi daripada MoS₂ [24]. Menggunakan properti WSe₂ . ini , transistor efek medan tipe p dan n mobilitas tinggi telah dilaporkan dengan WSe monolayer₂ [25]. WSe monolayer₂ menunjukkan celah pita langsung dengan fotoluminesensi yang kuat [26]. Sifat penyerapan jenuh nonlinier dari WSe₂ telah diterapkan sebagai peredam jenuh dalam laser serat [27]. WSe₂ menunjukkan potensi besar untuk kontrol cahaya semua optik di WSe₂ -perangkat serat berbasis.

MF optik adalah serat optik lancip dengan diameter beberapa hingga lebih dari 10 m. MF diproduksi dengan lancip sederhana yang dipanaskan dengan api yang menarik serat di bawah panas. Akibatnya, lancip biconical terbentuk membuktikan platform untuk interaksi antara cahaya dipandu dan lingkungan dan koneksi ke komponen berserat lainnya [28]. Profil MF dapat disetel dengan baik agar sesuai dengan aplikasi yang berbeda melalui pengontrolan kecepatan dan waktu tarikan dalam proses fabrikasi. MF memiliki keunggulan bidang cepat berlalu dr ingatan yang besar, konfigurasi, kehilangan optik rendah, kurungan optik ketat, dan fleksibilitas mekanik yang luar biasa [29]. Pengekangan optik ketat dari MF memberikan pendekatan yang menjanjikan untuk sirkuit optik tapak kecil dan efek nonlinier optik ambang rendah. Interaksi yang kuat dan cepat antara cahaya terpandu dan sekitarnya dapat diperoleh berdasarkan medan cepat berlalu dr ingatan yang kuat dari MF. Properti MF ini telah dieksploitasi untuk penginderaan optik dengan konfigurasi yang berbeda, seperti kisi-kisi serat yang tertulis pada MF [30], MF yang difungsikan permukaan [31], dan interferometer Mach-Zehnder [32, 33]. Interaksi materi cahaya yang kuat yang disediakan oleh MF juga telah diterapkan untuk mewujudkan modulator semua optik, laser serat ultracepat [34, 35], dan fungsi penyetelan dan kontrol cahaya.

Dalam makalah ini, kami menggunakan bandwidth penyerapan yang luas dan efek termo-optik dari WSe₂ untuk mencapai penyetelan cahaya semua optik di WSe₂ dilapisi MF. Untuk mewujudkan penyetelan semua-optik, lampu pompa eksternal dengan panjang gelombang 405, 532, dan 660 nm digunakan untuk menyinari MF. Dengan menggunakan interaksi antara lampu pompa eksternal dan WSe₂ , perubahan indeks yang efektif direalisasikan dan selanjutnya menginduksi variasi daya keluaran. Sensitivitas TOP yang diukur adalah 0,30 dB/mW di bawah eksitasi lampu pompa 405-nm. Perubahan suhu dan respons perangkat yang diinduksi laser pompa eksternal diselidiki. Simulasi teoritis dilakukan untuk memverifikasi mekanisme penyetelan TOP.

Metode

Konsentrasi WSe₂ dispersi adalah 1 mg/ml, yang diperoleh melalui metode pengelupasan cair. Untuk mendapatkan WSe₂ nanosheet dengan distribusi seragam, perlakuan ultrasonik WSe₂ dispersi selama ~ 30 min dilakukan. Untuk mengkarakterisasi WSe₂ nanosheet, spektrum serapan Raman dan UV-VIS diukur. Spektrum Raman dari WSe₂ nanosheets bersemangat oleh laser 488-nm ditunjukkan pada Gambar. 1a. WSe₂ nanosheets hanya menampilkan satu mode getaran kuat sekitar 252,2 cm^–1 , yang merupakan hasil dari degenerasi E_2g dan A_1g mode. Puncak Raman tambahan akan muncul pada 5–11 cm⁻¹ ketika WSe₂ serpihan lebih tipis dari empat lapisan [36]. Spektrum serapan WSe₂ nanosheets diukur dengan spektrofotometer UV-VIS (UV-2600, SHIMADZU) ditunjukkan pada Gambar. 1b. Dalam rentang panjang gelombang dari 300 hingga 700 nm, WSe₂ nanosheet memiliki daya serap. Dari 400 ke 700 nm, penyerapan menurun dengan panjang gelombang. Penyerapan pada tiga panjang gelombang 405, 532, dan 660 nm dibandingkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b.

a Spektrum Raman WSe₂ . b Spektrum penyerapan WSe₂

MF diproduksi menggunakan teknik "sikat api". MF diperoleh dengan menggambar sepotong serat mode tunggal standar dari Corning Inc. pada kecepatan ~ 0,2 mm/s, dipanaskan dengan nyala api. Untuk mewujudkan kontrol cahaya semua optik di WSe₂ -dilapisi MF, pinggang MF yang sesuai diperlukan. Pinggang MF yang lebih kecil memungkinkan interaksi yang lebih kuat antara cahaya dan WSe₂ , tetapi TOP mungkin terlalu lemah untuk dideteksi karena kerugiannya besar. Gambar 2 a menunjukkan MF fabrikasi dengan diameter 9,5 μm di daerah pinggang yang seragam. Sisipan Gambar 2a adalah gambar mikroskopis MF dengan laser 650 nm yang diluncurkan pada input. Diameter MF diukur menggunakan mikroskop optik (mikroskop Zeiss Axio Scope A1). Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2b, daerah pinggang MF memiliki panjang 6 mm dan diameter 9,5 μm. Panjang total MF adalah 25 mm.

a Gambar mikroskopis dari MF yang dibuat. b Karakteristik morfologi MF

Langkah selanjutnya adalah pengendapan WSe₂ nanosheet ke MF. Sebelum deposisi, MF difiksasi ke baskom kaca (20 mm × 5 mm × 1 mm) yang terbuat dari kaca dan perekat UV (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific). Setelah itu, WSe₂ dispersi dijatuhkan ke MF menggunakan pipet. TOP MF selama proses pengendapan dipantau menggunakan laser umpan balik terdistribusi (DFB) 1550-nm. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3, sebelum deposisi, TOP sekitar 10 dBm. Setelah 5 menit deposisi, TOP menurun tajam menjadi 43 dBm. Kemudian TOP meningkat menjadi 35 dBm setelah 14 min. TOP menjadi stabil pada 37 dBm, menandakan pengendapan telah selesai.

Variasi TOP di MF selama pengendapan WSe₂

Gambar pemindaian mikroskop elektron (SEM) dari MF yang dilapisi dengan WSe₂ nanosheet ditunjukkan pada Gambar. 4. Gambar 4 a menunjukkan WSe₂ nanosheets mengendap pada MF dengan diameter ~ 9,5 μm, dan gambar yang diperbesar ditunjukkan pada sisipan Gambar 4a. Tampilan penampang MF yang dilapisi dengan WSe₂ nanosheets ditunjukkan pada Gambar. 4b. Sisipan pada Gambar 4b menunjukkan bahwa ketebalan endapan WSe₂ nanosheet adalah ~ 150 nm.

a Gambar SEM dari MF yang dilapisi dengan WSe₂ . b Tampilan penampang MF yang dilapisi dengan WSe₂ nanosheet

Untuk menyelidiki penyerapan cahaya dari WSe₂ film, panduan ringan di WSe₂ -coated MF disimulasikan dengan metode elemen hingga di COMSOL. Dalam model, WSe 150-nm₂ lapisan melilit ~ 9.5 μm MF. Indeks bias MF dan WSe₂ nanosheet masing-masing adalah 1,46 dan 2,64 + 0,2i [37]. Jendela perhitungan adalah 20 μm × 20 μm dan ukuran meshing adalah 50 nm. Panjang gelombang ditetapkan pada 1550 nm. Distribusi bidang mode MF dan WSe₂ -dilapisi MF dihitung. Gambar 5 a menunjukkan distribusi mode 2D pada 1550 nm. Indeks efektif mode dalam MF dengan WSe₂ lapisan yang sesuai dengan Gambar 5a adalah 1,4567–2,04 × 10⁻³ i, menunjukkan WSe₂ penyerapan. Distribusi medan radial dari MF dan WSe telanjang₂ -dilapisi MF sepanjang garis putus-putus putih Gambar. 5a diplot pada Gambar. 5b. Distribusi medan radial memiliki intensitas puncak yang sama pada ~ 0 μm. Pada gambar yang diperbesar dari Gbr. 5b, distribusi bidang WSe₂ -coated MF menunjukkan variasi yang tiba-tiba sebagai akibat dari diskontinuitas indeks.

a Distribusi bidang 2D dari mode pemandu yang disimulasikan di WSe₂ -dilapisi MF. b Distribusi medan radial dari MF dan WSe kosong₂ -dilapisi MF, dan sisipan menunjukkan gambar bidang yang diperbesar pada permukaan MF

Kontrol cahaya semua optik di WSe₂ -dilapisi MF dicirikan menggunakan pengaturan eksperimental seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6. Laser DFB 1550-nm (SOF–155–D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) terhubung ke input perangkat, dan output dipantau oleh pengukur daya optik. Laser 405-, 532-, dan 660-nm digunakan untuk pompa eksternal. MF dilapisi dengan WSe₂ disinari oleh laser yang ditempatkan ~ 10 cm di atas sampel. Pertama, TOP MF tanpa WSe₂ diukur menggunakan pengaturan eksperimental ini.

Penyiapan eksperimental untuk mengukur TOP perangkat di bawah penerangan sinar laser eksternal

Hasil dan Diskusi

Gambar 7a–c menunjukkan variasi daya relatif untuk berbagai daya pompa dari laser 405-, 532-, dan 660-nm, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, perubahan TOP dari MF telanjang lebih kecil dari 0,03 dB di bawah iradiasi laser 405-nm. Hasil serupa diperoleh untuk laser 532- dan 660-nm. Variasi TOP lebih kecil dari 0,02 dan 0,03 dB untuk laser 532- dan 660-nm, masing-masing.

Perubahan TOP dengan kekuatan pompa yang berbeda di bawah a Laser 405-nm, b Laser 532-nm, dan c Penerangan laser 660 nm

Kemudian TOP MF dilapisi dengan WSe₂ nanosheets diukur di bawah kekuatan pompa yang berbeda. Eksperimen dilakukan dengan daya laser 405-nm (ungu) (LSR405NL, Lasever Inc.) mulai dari 0 sampai 13.3 mW. Gambar 8 a memplot variasi daya relatif dari MF yang dilapisi dengan WSe₂ nanosheet di bawah iluminasi laser 405 nm. TOP meningkat dengan daya pompa. Ketika daya pompa laser 405-nm meningkat dari 0 menjadi 13,3 mW, variasi TOP adalah 4,2 dB. Variasi TOP juga 4,2 dB ketika daya laser 405-m berkurang dari 13,3 menjadi 0 mW. Untuk menganalisis hubungan antara daya laser TOP dan 405-nm, nilai rata-rata TOP untuk langkah berbeda daya pompa pada Gambar 8a diekstraksi. Perubahan TOP dengan daya lampu pompa ditunjukkan pada Gambar 8b. Sensitivitas variasi TOP terhadap daya pompa ditentukan oleh kemiringan kurva pemasangan linier. Sensitivitas 0,30 dB/mW diperoleh untuk meningkatkan daya violet dan mengurangi daya violet, memverifikasi kontrol semua-optik cahaya memiliki pengulangan dan stabilitas yang baik. Kontrol cahaya all-optik dari MF yang dilapisi dengan Wse₂ nanosheets dianalisis dengan laser 532- dan 660-nm. Gambar 8 c menyajikan variasi TOP ketika daya laser 532-nm (hijau) meningkat dari 0 menjadi 13,3 mW. TOP berubah dengan kekuatan laser hijau. Variasi daya relatif adalah 3,2 dB untuk peningkatan daya pompa (dari 0 hingga 13,3 mW) dan penurunan daya pompa (dari 13,3 menjadi 0 mW). Variasi TOP untuk daya lampu pompa yang berbeda diplot pada Gambar 8d. Sensitivitasnya adalah 0,23 dB/mW untuk proses kenaikan dan penurunan. Hasil serupa diperoleh untuk pompa laser 660-nm (merah). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8e, TOP meningkat sebesar 2,9 dB ketika daya laser merah meningkat dari 0 menjadi 17,0 mW, dan perubahan dayanya sama untuk proses penurunan. Sensitivitas di bawah iluminasi laser merah diperoleh dari Gambar 8f, yaitu 0,16 dB/mW untuk peningkatan daya pompa (dari 0 hingga 17,0 mW) dan penurunan daya pompa (dari 17,0 hingga 0 mW). Pada Gambar 8b, d, dan f untuk penyetelan semua optik, linearitasnya berbeda. Selama proses peningkatan daya, R ² nilai masing-masing adalah 0,907, 0,976, dan 0,984 untuk laser ungu, hijau, dan merah. R ² nilai 0.915, 0.977, dan 0.991 diperoleh dalam proses penurunan daya untuk violet, hijau, dan laser merah, masing-masing. Di sini, laser ungu memberikan sensitivitas yang lebih baik tetapi linearitas dari laser merah lebih baik. Namun, untuk kontrol cahaya semua optik di MoSe_2- dilapisi MF, cahaya 980-nm memiliki linearitas dan sensitivitas yang lebih baik daripada cahaya 405-nm [17]. Oleh karena itu, tidak ada hubungan yang konsisten antara linearitas dan sensitivitas untuk perangkat yang berbeda di bawah laser pompa yang berbeda. Kami percaya bahwa linearitas dan sensitivitas terkait dengan material 2D, metode pengendapan, struktur serat, dan stabilitas lampu pompa.

a Variasi TOP di bawah daya laser 405-nm yang berbeda. b Variasi TOP versus daya lampu pompa 405-nm. c Variasi TOP di bawah daya laser 532-nm yang berbeda. d Variasi TOP versus daya lampu pompa 532-nm. e Variasi TOP di bawah daya laser 660 nm yang berbeda. f Variasi TOP versus daya lampu pompa 660 nm

Perlu dicatat bahwa suhu MF dilapisi dengan WSe₂ perubahan di bawah iluminasi laser. Suhu dicatat oleh termokopel ketika daya pompa berubah. Gambar 9 a menunjukkan perubahan suhu untuk berbagai daya pompa violet. Suhu meningkat dengan daya pompa. Suhu meningkat dari 21,6 menjadi 28,1 °C ketika daya pompa ungu meningkat dari 0 menjadi 13,3 mW. Ketika daya pompa violet berkurang dari 13,3 menjadi 0 mW, suhu menurun dari 28,1 menjadi 22,0 °C. Variasi suhu juga dipantau untuk laser pompa hijau dan merah. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 9b, meningkatkan dan menurunkan kekuatan laser hijau dalam kisaran 0 hingga 13,3 mW dapat menyebabkan variasi suhu 6,7 °C dan 6,1 °C, masing-masing. Gambar 9 c menunjukkan variasi suhu di bawah pompa laser merah, yang memiliki tren bervariasi yang sama. Suhu berubah sebesar 7,1 °C dan 7,0 °C saat daya pompa merah bervariasi antara 0 dan 17.0 mW. Suhu sebagai fungsi daya pompa diplot pada Gambar 10. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10a, kesesuaian linier dari variasi suhu memberikan sensitivitas 0,46 °C/mW dan 0,44 °C/mW untuk menaikkan dan menurunkan daya pompa violet , masing-masing. Gambar 10 b menunjukkan sensitivitas suhu masing-masing 0,44 °C/mW dan 0,41 °C/mW untuk kenaikan dan penurunan daya pompa hijau. Untuk proses kenaikan dan penurunan daya pompa merah, sensitivitas suhu diukur menjadi 0,41 °C/mW. Hasilnya menunjukkan WSe₂ dapat dianggap sebagai pemanas yang efisien dan kompak untuk kontrol semua optik dan penyetelan termo-optik [38]. Untuk menyelidiki pengaruh suhu lingkungan pada kinerja perangkat, MF dilapisi dengan WSe₂ nanosheets ditempatkan ke hotplate keramik (CHP-250DF, SEBAGAI SATU) untuk pengukuran TOP. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 11a, variasi TOP lebih kecil dari 0,03 dB ketika suhu ruang diubah dari 22 menjadi 30 °C. Hasil yang memverifikasi perangkat ini tidak sensitif terhadap suhu lingkungan. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 11a, variasi TOP lebih kecil dari 0,03 dB ketika suhu ruang diubah dari 22 menjadi 30 °C. Hasil yang memverifikasi perangkat ini tidak sensitif terhadap suhu lingkungan. Perangkat ini relatif stabil bila digunakan dalam suhu tinggi untuk penyetelan semua optik. Seperti ditunjukkan pada Gambar 11b, ketika suhu dinaikkan dari 70 menjadi 100 °C secara perlahan, variasi TOP lebih kecil dari 0,55 dB.

Suhu MF yang dilapisi dengan WSe₂ nanosheet untuk a . yang berbeda daya pompa ungu, b daya pompa hijau, dan c daya pompa merah

Suhu sebagai fungsi daya pompa untuk a laser ungu, b laser hijau, dan c laser merah

ATAS MF dilapisi dengan WSe₂ nanosheet di bawah a suhu lingkungan yang berbeda dan b suhu tinggi

Respons transien MF yang dilapisi dengan WSe₂ nanosheets diukur menggunakan setup eksperimental ditunjukkan pada Gambar. 12. Laser 1550-nm terhubung ke input MF. Output dari laser ungu, hijau, dan merah dimodulasi oleh generator sinyal (AFG 3102, Tektronix). Output dari generator sinyal adalah gelombang persegi. Sebuah fotodetektor (Model 1811, New Focus) dan osiloskop (DS1052E, RIGOL) digunakan untuk memantau output MF. Gambar 13 a-c menunjukkan respons yang dipantau oleh osiloskop masing-masing di bawah iluminasi laser ungu, hijau, dan merah. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 13a, kekuatan pompa ungu adalah 16,8, 20,3, dan 22,8 mW untuk pengukuran waktu respons. Waktu naik dan waktu jatuh masing-masing diukur menjadi 17,9 dan 18,4 ms untuk laser violet. Untuk penerangan laser hijau, daya pompa adalah 8,3, 13,7, dan 20,0 mW, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 13b. Waktu naik dan waktu jatuh masing-masing diukur menjadi 15,3 dan 16,9 ms untuk laser hijau. Seperti ditunjukkan pada Gambar 13c, di bawah iluminasi laser merah dengan kekuatan pompa 10,7, 16,8, dan 20,5 mW, waktu naik dan waktu jatuh masing-masing adalah 16,9 dan 18,3 m.

Penyiapan eksperimental pengukuran respons transien

Waktu respons MF yang dilapisi dengan WSe₂ nanosheet dengan panjang gelombang cahaya pompa a iluminasi laser ungu, b iluminasi laser hijau, dan c iluminasi laser merah

Sensitivitas penyetelan TOP berbeda untuk laser pompa ungu, hijau, dan merah. Hal ini karena penyerapan jauh lebih kuat pada panjang gelombang yang lebih pendek, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b. Kontrol semua-optik TOP adalah karena kombinasi efek termo-optik dan pembawa foton yang dihasilkan di MF dengan WSe₂ . Interaksi antara lampu pompa eksternal dan WSe₂ menginduksi perubahan indeks efektif WSe₂ . WSe₂ nanosheets menyerap sinar laser pompa. Suhu MF dengan WSe₂ meningkat dengan daya pompa, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9 dan 10. Bagian sebenarnya dari indeks bias (n _r ) dari WSe₂ menurun saat suhu MF dengan WSe₂ meningkat [39]. n _r juga menurun karena peningkatan konsentrasi pembawa yang terkait dengan konduktivitas WSe₂ nanosheet [40]. Akibatnya, indeks bias efektif (n _eff ) mode terpandu dalam MF yang dilapisi dengan WSe₂ bervariasi dengan iluminasi laser eksternal. Pembawa yang dihasilkan foton juga menyebabkan variasi indeks WSe₂ dan perubahan n _eff [38]. Oleh karena itu, TOP dapat diubah dengan laser pompa eksternal. Menggunakan metode elemen hingga, simulasi dilakukan untuk menyelidiki mekanisme penyetelan TOP. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14a, bagian sebenarnya dari n _eff meningkat dengan n _r . Bagian sebenarnya dari n _eff meningkat dari 1,4559 menjadi 1,4567 dengan n _r bervariasi dari 2,44 hingga 2,64 [41, 42]. Distribusi medan listrik dari mode dengan n _eff dari 1,4559 ditunjukkan pada sisipan Gambar 14a. Variasi n _r menyediakan mode distribusi medan listrik yang berbeda. Mengintegrasikan distribusi medan listrik dari seluruh penampang, energi listrik keluaran dihitung. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14b, energi listrik keluaran berkurang dengan n _r dari 2,44 hingga 2,64 dengan rasio 1,76 × 10⁷ M/m.² Oleh karena itu, daya keluaran meningkat dengan daya pompa eksternal. Hasil simulasi sangat sesuai dengan hasil eksperimen. Untuk menyelidiki dampak WSe₂ nomor lapisan pada kinerja perangkat, simulasi dilakukan dengan metode elemen hingga di COMSOL. Ketebalan WSe empat lapis₂ nanosheet adalah 2,8 nm, dan indeks bias yang sesuai dari WSe₂ adalah 3,7 + 0,2i [43]. Kecocokan linier dari bagian nyata n _eff versus n _r ditunjukkan pada Gambar. 15a. Bagian sebenarnya dari n _eff meningkat dengan n _r ketika divariasikan dari 3,50 hingga 3,70. Distribusi medan listrik dari mode untuk n _eff dari 1.4550619 ditunjukkan pada sisipan Gambar 15a yang simetris sirkular. Sebagai perbandingan, distribusi medan listrik dari mode pada Gambar 14a adalah asimetris karena cahaya diserap oleh 150 nm WSe₂ lembar nano. Energi listrik keluaran berkurang ketika n _r meningkat dari 3,50 menjadi 3,70 dengan laju 1,41 × 10⁴ M/m² , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 15b. Tingkat variasi energi listrik keluaran 150 nm WSe₂ nanosheet jauh lebih besar daripada 2,8-nm WSe₂ nanosheet, menunjukkan WSe yang tebal₂ nanosheet memberikan kinerja yang lebih baik untuk penyetelan semua optik.

a Mode bagian nyata dari n _eff sebagai fungsi dari n _r untuk WSe 150-nm₂ lembar nano. Dan insetnya adalah distribusi medan listrik dari mode dengan n _eff dari 1,4559. b Ketergantungan energi listrik keluaran pada n _r untuk WSe 150-nm₂ nanosheet

a Mode bagian nyata dari n _eff versus n _r untuk WSe empat lapis₂ lembar nano. Dan insetnya adalah distribusi medan listrik dari mode dengan n _eff dari 1.4550619. b Ketergantungan energi listrik keluaran pada n _r untuk WSe empat lapis₂ nanosheet

3D finite-difference time-domain (FDTD) (Lumerical FDTD Solution) digunakan untuk menghitung daya keluaran MF yang dilapisi dengan WSe₂ . Skema konfigurasi perangkat untuk perhitungan daya keluaran ditunjukkan pada Gambar 16a. Dalam model, ketebalan WSe₂ lapisan, diameter MF, dan indeks bias MF ditetapkan masing-masing 150 nm, 9,5 μm, dan 1,46. Panjang MF diatur menjadi 10 μm untuk perhitungan kualitatif. x , y dan z arah memiliki resolusi grid 10 nm. Distribusi medan listrik di x -z potongan melintang bidang di y =0 m ditunjukkan pada Gambar 16b. Transmisi yang dihitung ditunjukkan pada Gambar. 17. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar.17a, transmisi MF berkurang dengan n _r , dan tren variasi konsisten dengan hasil yang diperoleh dengan COMSOL. Kerugiannya adalah 10,80 dan 10,94 dB/mm untuk n _r =2,44 dan n _r =2,64, masing-masing. Kemudian transmisi MF untuk panjang gelombang dari 1530 sampai 1570 nm dihitung dengan indeks bias WSe₂ nanosheet tetap pada 2.64 + 0.2i. Seperti yang ditunjukkan pada Gbr.17b, transmisi menurun dengan panjang gelombang. Kehilangan bervariasi dari 10,58 hingga 10,85 dB/mm ketika panjang gelombang berubah dari 1530 menjadi 1570 nm.

a Skema konfigurasi perangkat untuk perhitungan dengan 3D FDTD. b Distribusi medan listrik di x -z penampang bidang

Transmisi terhitung sebagai fungsi a n _r dan b panjang gelombang

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.

Kesimpulan

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.