Kontrol Optik Seuhas Presisi Transmisi Cahaya pada Mikroserat Dilapisi WSe₂
Abstrak
Diselenida tungsten (WSe₂) telah menarik perhatian yang signifikan karena aplikasi serbaguna, seperti junjung p-n, transistor, laser serat, spintronica, dan konversi energi surya menjadi listrik. Kami menunjukkan pengaturan cahaya seluruh optik pada mikroserat (MF) dilapisi WSe₂ menggunakan lebar pengabsorpsi WSe₂ dan efek termo-optik. Daya optik yang ditransmisikan (TOP) dapat diatur menggunakan laser pompa insiden eksternal (405, 532, dan 660 nm). Sensitivitas pada sinaran pompa 405-nm adalah 0,30 dB/mW. Waktu naik/turun ~15,3/16,9 ms dicapai pada sinaran pompa 532-nm. Simulasi teoretis dilakukan untuk menyelidiki mekanisme pengaturan TOP. Keuntungan perangkat ini adalah pembuatan yang mudah, kontrol seluruh optik, sensitivitas tinggi, dan waktu respons yang cepat. Perangkat seluruh optik yang dapat diatur yang diusulkan memiliki potensi aplikasi dalam sirkuit seluruh optik, modulator seluruh optik, dan perangkat optik yang dapat diatur multi-dimensi, dll.
Pendahuluan
Optoelektronika, fotonika, dan mikroelektronika penting dan tak tergantikan 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 seluruh optik yang dapat diatur dapat diterapkan dalam komunikasi optik dan pemrosesan sinyal. Pengendalian cahaya oleh cahaya dalam serat telah dilaporkan, tetapi tetap menjadi tantangan untuk meningkatkan performa, terutama sensitivitas daya optik yang ditransmisikan (TOP) dan waktu respons. Salah satu cara yang baik untuk meningkatkan performa adalah menggunakan dalkogenida logam transisi dua dimensi (2D TMD), yang telah banyak digunakan dalam aplikasi sensor [2], perangkat optoelektronik [3], transistor [4], penyerap dapat diubah [5], dan perangkat memori [6]. Modulasi seluruh optik telah direalisikan dengan mikroserat (MF) hias grafen [7], MF dilapisi grafen [8], dan struktur MF-grafen stereo [9]. Pengaturan perangkat MF telah dicapai ketika MF dihubungkan ke berbagai material, seperti kristal cair [10], niobium litium [11], dan polimer [12]. Resonator simpul mikroserat (MKR) seluruh optik yang dapat diatur dengan lapisan atas dan bawahnya ditutupi grafen telah direalisikan [13]. Melapisi permukaan halus dan tanpa kerugian MF dengan berbagai material 2D mengaktifkan fungsi kontrol cahaya oleh cahaya MF dan resonator MF. Kontrol seluruh optik cahaya dalam MKR dilapisi WS₂ telah dilaporkan dengan variasi daya yang ditransmisikan ~0,4 dB/mW pada pompa ungu dan waktu respons ~0,1 s [14]. Fungsi kontrol cahaya oleh cahaya seluruh optik MKR dilapisi SnS₂ juga telah direalisikan; laju variasi TOP terhadap cahaya ungu ~0,22 dB/mW dan waktu respons sangat cepat ~3,2 ms [15]. TOP MF dibungkus dengan grafen oksida terpacu diubah oleh pompa cahaya ungu dengan laju variasi ~0,21 dB/mW [16]. Properti kontrol cahaya oleh cahaya seluruh MF dilapisi MoSe₂ juga telah ditelisik; sensitivitas TOP ~0,165 dB/mW pada pompa cahaya ungu dan waktu naik respons transient ~0,6 s [17]. Sensitivitas TOP dan waktu respons adalah properti penting dari perangkat MF. Untuk aplikasi seperti pengaturan seluruh optik dan modulasi optik, perbaikan sensitivitas TOP dan waktu respons diperlukan.
Sebagai contoh khas dari material TMD, diselenida tungsten (WSe₂) telah menerima minat penelitian yang besar, dan merupakan blok konstruksi yang potensial untuk elektronik dan optoelektronik. WSe₂ memiliki koefisien Seebeck yang tinggi, konduktivitas termal ultrarendah, dan ambipolaritas, menjadikannya kandidat yang menarik untuk elektronik fleksibel [18, 19]. Misalnya, pengaturan listrik junjung p-n telah dicapai berdasarkan ambipolaritas WSe₂ [20]. Kontrol listrik generasi harmonic kedua dalam transistor lapis tunggal WSe₂ telah dilaporkan menggunakan efek pengisian eksiton yang kuat di WSe₂ [21]. WSe₂ memiliki koefisien absorpsi yang besar di wilayah terlihat dan dekat-infra merah, yang telah dimanfaatkan dalam konversi energi surya menjadi listrik [22]. Dibandingkan dengan sulfida, selenida lebih stabil dan tahan terhadap oksidasi di kondisi udara [23]. Selain itu, WSe₂ menyediakan mobilitas lubang intrinsik yang tinggi sebesar 500 cm² V⁻¹ s⁻¹, yang jauh lebih tinggi dari MoS₂ [24]. Menggunakan properti WSe₂ ini, transistor efek lapangan p- dan n-jenis dengan mobilitas tinggi telah dilaporkan dengan lapis tunggal WSe₂ [25]. Lapis tunggal WSe₂ menunjukkan jarak band langsung dengan fotoluminesensi yang kuat [26]. Properti penyerap dapat diubah nonlinier WSe₂ telah diterapkan sebagai penyerap dapat diubah dalam laser serat [27]. WSe₂ menunjukkan potensi besar untuk kontrol seluruh optik cahaya dalam perangkat serat berbasis WSe₂.
Mikroserat optik (MF) adalah tapering serat optik dengan diameter beberapa hingga lebih dari 10 µm. MF dibuat dengan tarikan tapering serat yang dipanaskan dengan nyala api sederhana. Akibatnya, tapering bikonis terbentuk yang menyediakan platform untuk interaksi antara cahaya yang dipandu dan lingkungan serta koneksi ke komponen serat lainnya [28]. Profil MF dapat disesuaikan secara halus untuk aplikasi yang berbeda dengan mengontrol kecepatan dan waktu tarikan dalam proses pembuatan. MF memiliki keuntungan lapangan geser yang besar, konfigurabilitas, kerugian optik rendah, penahanan optik yang ketat, dan fleksibilitas mekanik yang luar biasa [29]. Penahanan optik yang ketat MF memberikan pendekatan yang menjanjikan untuk sirkuit optik berjejak kecil dan efek nonlinier optik ambang rendah. Interaksi yang kuat dan cepat antara cahaya yang dipandu dan lingkungan dapat diperoleh berdasarkan lapangan geser kuat MF. Properti MF ini telah dimanfaatkan untuk sensasi optik dengan konfigurasi yang berbeda, seperti gratis serat yang terukir pada MF [30], MF fungsional permukaan [31], dan interferometer Mach–Zehnder [32, 33]. Interaksi cahaya-materi yang kuat yang disediakan MF juga telah diterapkan untuk merealisikan modulator seluruh optik, laser serat ultrafast [34, 35], dan pengaturan serta fungsi kontrol cahaya oleh cahaya.
Dalam makalah ini, kami menggunakan lebar pengabsorpsi dan efek termo-optik WSe₂ untuk mencapai pengaturan seluruh optik cahaya pada MF dilapisi WSe₂. Untuk merealisikan pengaturan seluruh optik, pompa cahaya eksternal dengan panjang gelombang 405, 532, dan 660 nm digunakan untuk mengiradi MF. Dengan menggunakan interaksi antara pompa cahaya eksternal dan WSe₂, perubahan indeks efektif direalisikan dan kemudian menginduksi variasi daya output. Sensitivitas TOP yang diukur adalah 0,30 dB/mW pada sinaran pompa 405-nm. Perubahan suhu MF yang diinduksi laser pompa dan respons perangkat ditelidiki. Simulasi teoretis dilakukan untuk memverifikasi mekanisme pengaturan TOP.
Metode
Konsentrasi dispersi WSe₂ adalah 1 mg/ml, yang diperoleh melalui metode ekskresi cair. Untuk mendapatkan nanosheets WSe₂ dengan distribusi seragam, dilakukan perlakuan ultrasonik pada dispersi WSe₂ selama ~30 menit. Untuk mengkarakterisasi nanosheets WSe₂, spektra Raman dan UV-VIS diukur. Spektra Raman nanosheets WSe₂ yang dieksitasi oleh laser 488-nm ditunjukkan dalam Gambar 1a. Nanosheets WSe₂ hanya menunjukkan satu mode getaran kuat sekitar 252,2 cm⁻¹, yang merupakan hasil degenerasi mode E₂g dan A₁g. Puncak Raman tambahan akan muncul pada 5–11 cm⁻¹ ketika flakes WSe₂ lebih tipis dari empat lapis [36]. Spektra absorpsi nanosheets WSe₂ yang diukur dengan spektrofotometer UV–VIS (UV–2600, SHIMADZU) ditunjukkan dalam Gambar 1b. Dalam rentang panjang gelombang dari 300 hingga 700 nm, nanosheets WSe₂ memiliki pengabsorpsi. Dari 400 hingga 700 nm, pengabsorpsi menurun seiring panjang gelombang. Pengabsorpsi pada tiga panjang gelombang 405, 532, dan 660 nm dibandingkan, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1b.
a Spektra Raman WSe₂. b Spektra absorpsi WSe₂
MF dibuat menggunakan teknik "flame-brushing". MF diperoleh dengan menarik serangkaian serat single mode standar dari Corning Inc. pada kecepatan ~0,2 mm/s, dipanaskan oleh nyala api. Untuk merealisikan kontrol seluruh optik cahaya pada MF dilapisi WSe₂, lebar 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 terdeteksi karena kerugian besar. Gambar 2a menunjukkan MF yang dibuat dengan diameter ~9,5 µm di wilayah pinggang seragam. Inset Gambar 2a adalah citra mikroskop MF dengan laser 650-nm diluncurkan di input. Diameter MF diukur menggunakan mikroskop optik (Zeiss Axio Scope A1 microscope). Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b, wilayah pinggang MF memiliki panjang ~6 mm dan diameter ~9,5 µm. Panjang total MF adalah ~25 mm.
a Citra mikroskop MF yang dibuat. b Karakteristik morfologis MF
Langkah selanjutnya adalah depoersi nanosheets WSe₂ ke MF. Sebelum depoersi, MF dipasang di wadah kaca (20 mm × 5 mm × 1 mm) yang terbuat dari kaca dan perekat UV (Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific). Setelah itu, dispersi WSe₂ ditetapkan ke MF menggunakan pipet. TOP MF selama proses depoersi dipantau menggunakan laser DFB 1550-nm. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3, sebelum depoersi, TOP sekitar −10 dBm. Setelah 5 menit depoersi, TOP menurun tajam menjadi −43 dBm. Kemudian TOP naik menjadi −35 dBm setelah 14 menit. TOP menjadi stabil pada −37 dBm, menunjukkan depoersi selesai.
Variasi TOP dalam MF selama depoersi WSe₂
Citra mikroskop elektron emis (SEM) MF dilapisi nanosheets WSe₂ ditunjukkan dalam Gambar 4. Gambar 4a menunjukkan nanosheets WSe₂ mengendap pada MF dengan diameter ~9,5 µm, dan citra diperbesarnya ditampilkan dalam inset Gambar 4a. Tampilan penampang MF dilapisi nanosheets WSe₂ ditunjukkan dalam Gambar 4b. Inset Gambar 4b menunjukkan bahwa ketebalan nanosheets WSe₂ yang ditiadapkan adalah ~150 nm.
a Citra SEM MF dilapisi WSe₂. b Tampilan penampang MF dilapisi nanosheets WSe₂
Untuk menyelidiki pengabsorpsi cahaya oleh film WSe₂, pemandu cahaya dalam MF dilapisi WSe₂ disimulasikan dengan metode elemen hingga dalam COMSOL. Dalam model, lapis WSe₂ 150 nm dibungkus di sekitar MF ~9,5 µm. Indeks bias MF dan nanosheet WSe₂ adalah 1,46 dan 2,64 + 0,2i [37], masing-masing. Jendela perhitungan adalah 20 µm × 20 µm dan ukuran mesh adalah 50 nm. Panjang gelombang dipertahankan pada 1550 nm. Distribusi medan mode MF dan MF dilapisi WSe₂ dihitung. Gambar 5a menunjukkan distribusi mode 2D pada 1550 nm. Indeks efektif mode dalam MF dengan lapis WSe₂ yang sesuai dengan Gambar 5a adalah 1,4567–2,04 × 10⁻³ i, yang menunjukkan pengabsorpsi WSe₂. Distribusi medan radial MF polos dan MF dilapisi WSe₂ sepanjang garis putus putih Gambar 5a digambarkan dalam Gambar 5b. Distribusi medan radial memiliki intensitas puncak yang sama pada ~0 µm. Dalam gambar diperbesar Gambar 5b, distribusi medan MF dilapisi WSe₂ menunjukkan variasi tiba-tiba akibat diskontinuitas indeks.
a Distribusi medan 2D mode pemandu yang disimulasikan dalam MF dilapisi WSe₂. b Distribusi medan radial MF polos dan MF dilapisi WSe₂, dan inset menunjukkan gambar diperbesar medan di permukaan MF
Kontrol seluruh optik cahaya dalam MF dilapisi WSe₂ dikarakterisasi menggunakan pengaturan eksperimental seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 6. Laser DFB 1550-nm (SOF–155–D DFB LASER SOURCE, ACCELINK) terhubung ke input perangkat, dan output dipantau oleh meter daya optik. Laser 405-, 532-, dan 660-nm digunakan untuk pompa eksternal. MF dilapisi WSe₂ diiradi oleh laser yang ditempatkan ~10 cm di atas sampel. Pertama, TOP MF tanpa WSe₂ diukur menggunakan pengaturan eksperimental ini.
Pengaturan eksperimental untuk mengukur TOP perangkat di bawah iluminasi laser eksternal
Hasil dan Pembahasan
Gambar 7a–c menunjukkan variasi daya relatif untuk berbagai daya pompa laser 405-, 532-, dan 660-nm, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 7a, perubahan TOP MF polos lebih kecil dari 0,03 dB pada sinaran 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 daya pompa yang berbeda di bawah a laser 405-nm, b laser 532-nm, dan c laser 660-nm
Kemudian TOP MF dilapisi nanosheets WSe₂ diukur pada daya pompa yang berbeda. Eksperimen dilakukan dengan daya laser 405-nm (LSR405NL, Lasever Inc.) yang bervariasi dari 0 hingga 13,3 mW. Gambar 8a menggambarkan variasi daya relatif MF dilapisi nanosheets WSe₂ pada sinaran laser 405-nm. TOP meningkat dengan daya pompa. Ketika daya pompa laser 405-nm meningkat dari 0 hingga 13,3 mW, variasi TOP adalah 4,2 dB. Variasi TOP juga 4,2 dB ketika daya laser 405-m menurun dari 13,3 hingga 0 mW. Untuk menganalisis hubungan antara TOP dan daya laser 405-nm, nilai rata-rata TOP untuk berbagai langkah daya pompa dalam Gambar 8a diekstrak. Perubahan TOP dengan daya pompa cahaya ditunjukkan dalam Gambar 8b. Sensitivitas variasi TOP terhadap daya pompa ditentukan oleh kemiringan kurva linear fitting. Sensitivitas 0,30 dB/mW diperoleh untuk baik meningkat maupun menurunnya daya ungu, memverifikasi bahwa kontrol seluruh optik cahaya memiliki repetabilitas dan stabilitas yang baik. Kontrol seluruh optik cahaya MF dilapisi nanosheets WSe₂ dianalisis dengan laser 532- dan 660-nm. Gambar 8c menyajikan variasi TOP ketika daya laser 532-nm (hijau) meningkat dari 0 hingga 13,3 mW. TOP berubah dengan daya laser hijau. Variasi daya relatif adalah 3,2 dB untuk baik meningkatnya daya pompa (dari 0 hingga 13,3 mW) dan menurunnya daya pompa (dari 13,3 hingga 0 mW). Variasi TOP untuk daya pompa cahaya yang berbeda digambarkan dalam Gambar 8d. Sensitivitas adalah 0,23 dB/mW untuk baik proses peningkatan maupun penurunan. Hasil serupa diperoleh untuk pompa laser 660-nm (merah). Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 8e, TOP meningkat sebesar 2,9 dB ketika daya laser merah meningkat dari 0 hingga 17,0 mW, dan perubahan daya sama untuk proses penurunan. Sensitivitas pada sinaran laser merah diperoleh dari Gambar 8f, yaitu 0,16 dB/mW untuk baik meningkatnya daya pompa (dari 0 hingga 17,0 mW) dan menurunnya daya pompa (dari 17,0 hingga 0 mW). Dalam Gambar 8b, d, dan f untuk pengaturan seluruh optik, linearitas berbeda. Dalam proses peningkatan daya, nilai R² adalah 0,907, 0,976, dan 0,984 untuk laser ungu, hijau, dan merah, masing-masing. Nilai R² sebesar 0,915, 0,977, dan 0,991 diperoleh dalam proses penurunan daya untuk laser ungu, hijau, dan merah, masing-masing. Di sini, laser ungu menyediakan sensitivitas yang lebih baik tetapi linearitas laser merah lebih baik. Namun, untuk kontrol seluruh optik cahaya dalam MF dilapisi MoSe₂, cahaya 980-nm memiliki linearitas dan sensitivitas yang lebih baik daripada cahaya 405-nm [17]. Oleh karena itu, tidak ada hubungan konsisten antara linearitas dan sensitivitas untuk berbagai perangkat pada berbagai laser pompa. Kami percaya linearitas dan sensitivitas terkait dengan material 2D, metode depoersi, struktur serat, dan stabilitas pompa cahaya.
a Variasi TOP pada daya laser 405-nm yang berbeda. b Variasi TOP terhadap daya pompa cahaya laser 405-nm. c Variasi TOP pada daya laser 532-nm yang berbeda. d Variasi TOP terhadap daya pompa cahaya laser 532-nm. e Variasi TOP pada daya laser 660-nm yang berbeda. f Variasi TOP terhadap daya pompa cahaya laser 660-nm
Harap diperhatikan bahwa suhu MF dilapisi WSe₂ berubah pada sinaran laser. Suhu dicatat dengan termokopel ketika daya pompa berubah. Gambar 9a menunjukkan perubahan suhu untuk berbagai daya pompa ungu. Suhu meningkat dengan daya pompa. Suhu meningkat dari 21,6 hingga 28,1 °C ketika daya pompa ungu meningkat dari 0 hingga 13,3 mW. Ketika daya pompa ungu menurun dari 13,3 hingga 0 mW, suhu menurun dari 28,1 hingga 22,0 °C. Variasi suhu juga dipantau untuk laser pompa hijau dan merah. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9b, meningkat dan menurunkan daya laser hijau dalam rentang 0 hingga 13,3 mW dapat menginduksi variasi suhu 6,7 °C dan 6,1 °C, masing-masing. Gambar 9c menunjukkan variasi suhu pada pompa laser merah, yang memiliki tren variasi yang sama. Suhu berubah sebesar 7,1 °C dan 7,0 °C ketika daya pompa merah bervariasi antara 0 dan 17,0 mW. Suhu sebagai fungsi daya pompa digambarkan dalam Gambar 10. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 10a, fitting linier variasi suhu memberikan sensitivitas 0,46 °C/mW dan 0,44 °C/mW untuk meningkat dan menurun daya pompa ungu, masing-masing. Gambar 10b menunjukkan sensitivitas suhu yang adalah 0,44 °C/mW dan 0,41 °C/mW untuk meningkat dan menurun daya pompa hijau, masing-masing. Untuk proses peningkatan dan penurunan daya pompa merah, sensitivitas suhu diukur sebesar 0,41 °C/mW. Hasil ini menunjukkan bahwa WSe₂ dapat dianggap sebagai pemanas yang efisien dan kompak untuk kontrol seluruh optik dan pengaturan termo-optik [38]. Untuk menyelidiki pengaruh suhu lingkungan pada performa perangkat, MF dilapisi nanosheets WSe₂ ditempatkan pada piringan panas keramik (CHP–250DF, AS ONE) untuk pengukuran TOP. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11a, variasi TOP lebih kecil dari 0,03 dB ketika suhu ruangan diubah dari 22 hingga 30 °C. Hasil yang memverifikasi perangkat ini tidak sensitif terhadap suhu lingkungan. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11a, variasi TOP lebih kecil dari 0,03 dB ketika suhu ruangan diubah dari 22 hingga 30 °C. Hasil yang memverifikasi perangkat ini tidak sensitif terhadap suhu lingkungan. Perangkat ini relatif stabil ketika digunakan pada suhu tinggi untuk pengaturan seluruh optik. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 11b, ketika suhu meningkat dari 70 hingga 100 °C secara lambat, variasi TOP lebih kecil dari 0,55 dB.
Suhu MF dilapisi nanosheets WSe₂ untuk daya pompa a ungu, b hijau, dan c merah yang berbeda
Suhu sebagai fungsi daya pompa untuk laser a ungu, b hijau, dan c merah
TOP MF dilapisi nanosheets WSe₂ di bawah a suhu lingkungan yang berbeda dan b suhu tinggi
Respons transient MF dilapisi nanosheets WSe₂ diukur menggunakan pengaturan eksperimental yang ditunjukkan dalam Gambar 12. Laser 1550-nm terhubung ke input MF. Output laser ungu, hijau, dan merah dimodulasi oleh generator sinyal (AFG 3102, Tektronix). Output generator sinyal adalah gelombang persegi. Detektor cahaya (Model 1811, New Focus) dan osiloskop (DS1052E, RIGOL) digunakan untuk memantau output MF. Gambar 13a–c menunjukkan respons yang dipantau oleh osiloskop pada sinaran laser ungu, hijau, dan merah, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 13a, daya pompa ungu adalah 16,8, 20,3, dan 22,8 mW untuk pengukuran waktu respons. Waktu naik dan turun diukur sebesar 17,9 dan 18,4 ms untuk laser ungu, masing-masing. Untuk sinaran laser hijau, daya pompa adalah 8,3, 13,7, dan 20,0 mW, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 13b. Waktu naik dan turun diukur sebesar 15,3 dan 16,9 ms untuk laser hijau, masing-masing. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 13c, pada sinaran laser merah dengan daya pompa 10,7, 16,8, dan 20,5 mW, waktu naik dan turun adalah 16,9 dan 18,3 ms, masing-masing.
Waktu respons MF dilapisi nanosheets WSe₂ dengan panjang gelombang pompa cahaya laser a ungu, b hijau, dan c merah
Sensitivitas pengaturan TOP berbeda untuk laser pompa ungu, hijau, dan merah. Ini karena pengabsorpsi jauh lebih kuat pada panjang gelombang pendek, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 1b. Kontrol seluruh optik TOP disebabkan oleh kombinasi efek termo-optik dan pembawa yang dihasilkan foton dalam MF dengan WSe₂. Interaksi antara pompa cahaya eksternal dan WSe₂ menginduksi perubahan indeks efektif WSe₂. Nanosheets WSe₂ menyerap cahaya laser pompa. Suhu MF dengan WSe₂ meningkat dengan daya pompa, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 9 dan 10. Bagian riil indeks bias (n_r) WSe₂ menurun ketika suhu MF dengan WSe₂ meningkat [39]. n_r juga menurun karena peningkatan konsentrasi pembawa yang terkait dengan konduktivitas nanosheets WSe₂ [40]. Akibatnya, indeks bias efektif (n_eff) dari mode yang dipandu dalam MF dilapisi WSe₂ bervariasi pada sinaran laser eksternal. Pembawa yang dihasilkan foton juga mengakibatkan 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 pengaturan TOP. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 14a, bagian riil n_eff meningkat dengan n_r. Bagian riil n_eff meningkat dari 1,4559 hingga 1,4567 dengan n_r bervariasi dari 2,44 hingga 2,64 [41, 42]. Distribusi medan listrik mode dengan n_eff sebesar 1,4559 ditampilkan dalam inset Gambar 14a. Variasi n_r memberikan distribusi medan listrik mode yang berbeda. Mengintegrasikan distribusi medan listrik seluruh penampang, energi listrik output dihitung. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 14b, energi listrik output menurun dengan n_r dari 2,44 hingga 2,64 dengan laju 1,76 × 10⁷ W/m². Oleh karena itu, daya output meningkat dengan daya pompa eksternal. Hasil simulasi sepakat dengan hasil eksperimental. Untuk menyelidiki dampak jumlah lapis WSe₂ pada performa perangkat, simulasi dilakukan dengan metode elemen hingga dalam COMSOL. Ketebalan nanosheet WSe₂ empat lapis adalah 2,8 nm, dan indeks bias WSe₂ yang sesuai adalah 3,7 + 0,2i [43]. Fitting linier bagian riil n_eff terhadap n_r ditunjukkan dalam Gambar 15a. Bagian riil n_eff meningkat dengan n_r ketika bervariasi dari 3,50 hingga 3,70. Distribusi medan listrik mode untuk n_eff sebesar 1,4550619 ditampilkan dalam inset Gambar 15a yang simetris lingkaran. Perbandingan, distribusi medan listrik mode dalam Gambar 14a tidak simetris karena cahaya diserap oleh nanosheet WSe₂ 150 nm. Energi listrik output menurun ketika n_r meningkat dari 3,50 hingga 3,70 dengan laju 1,41 × 10⁴ W/m², seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 15b. Laju variasi energi listrik output nanosheet WSe₂ 150 nm jauh lebih besar daripada nanosheet WSe₂ 2,8 nm, yang menunjukkan nanosheet WSe₂ yang lebih tebal memberikan performa yang lebih baik untuk pengaturan seluruh optik.
a Bagian riil mode n_eff sebagai fungsi n_r untuk nanosheet WSe₂ 150 nm. Dan inset adalah distribusi medan listrik mode dengan n_eff sebesar 1,4559. b Ketergantungan energi listrik output pada n_r untuk nanosheet WSe₂ 150 nm
a Bagian riil mode n_eff versus n_r untuk nanosheet WSe₂ empat lapis. Dan inset adalah distribusi medan listrik mode dengan n_eff sebesar 1,4550619. b Ketergantungan energi listrik output pada n_r untuk nanosheet WSe₂ empat lapis
Metode finite-difference time-domain (FDTD) 3D (Lumerical FDTD Solution) digunakan untuk menghitung daya output MF dilapisi WSe₂. Skema konfigurasi perangkat untuk perhitungan daya output ditunjukkan dalam Gambar 16a. Dalam model, ketebalan lapis WSe₂, diameter MF, dan indeks bias MF diatur masing-masing ke 150 nm, 9,5 µm, dan 1,46. Panjang MF diatur ke 10 µm untuk perhitungan kualitatif. Arah x, y, dan z memiliki resolusi grid 10 nm. Distribusi medan listrik di potongan penampang bidang x-z pada y = 0 µm ditunjukkan dalam Gambar 16b. Transmisi yang dihitung ditunjukkan dalam Gambar 17. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 17a, transmisi MF menurun dengan n_r, dan tren variasi konsisten dengan hasil yang diperoleh dengan COMSOL. Kerugian 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 hingga 1570 nm dihitung dengan indeks bias nanosheet WSe₂ tetap pada 2,64 + 0,2i. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 17b, transmisi menurun dengan panjang gelombang. Kerugian bervariasi dari 10,58 hingga 10,85 dB/mm ketika panjang gelombang berubah dari 1530 hingga 1570 nm.
a Skema konfigurasi perangkat untuk perhitungan dengan 3D FDTD. b Distribusi medan listrik di potongan penampang bidang x-z
Transmisi yang dihitung sebagai fungsi dari a n_r dan b panjang gelombang
Performa perangkat kontrol cahaya oleh cahaya dibandingkan berdasarkan sensitivitas TOP dan waktu respons pada berbagai panjang gelombang pompa cahaya, seperti yang tercantum dalam Tabel 1. Struktur kontrol seluruh optik cahaya yang ditunjukkan di sini memiliki sensitivitas yang lebih tinggi dibandingkan MF, MKR, dan serat sisi-poler (SPF) yang digabungkan dengan berbagai material. MF dilapisi WSe₂ memiliki respons yang lebih cepat daripada struktur pengaturan seluruh optik seperti MKR digabungkan dengan WS₂, MF dilapisi MoSe₂, SPF digabungkan dengan kristal cair, dan MF ditutupi WS₂. Berbagai faktor berkontribusi pada sensitivitas TOP yang lebih tinggi dan waktu respons yang lebih cepat dari MF dilapisi WSe₂. Pertama, WSe₂ menyediakan lebar pengabsorpsi yang luas di cahaya terlihat dan efek termo-optik untuk pengaturan seluruh optik. Kedua, struktur MF dioptimalkan untuk meningkatkan interaksi cahaya-materi. Ketiga, metode pelapisan nanosheets WSe₂ memungkinkan kontrol ketebalan nanosheet yang presisi dan depoersi material yang seragam.
Kesimpulan
Kami telah membuat dan menunjukkan pengaturan seluruh optik cahaya dalam MF dilapisi WSe₂ berdasarkan interaksi antara pompa cahaya eksternal dan WSe₂. Melalui iradiasi pompa cahaya eksternal (405, 532, dan 660 nm), lebar pengabsorpsi WSe₂ yang luas dan efek termo-optik menjamin perubahan indeks efektif dan kemudian variasi daya output. Sensitivitas dan waktu turun sebesar 0,30 dB/mW dan 15,3 ms masing-masing dapat diperoleh. Mekanisme pengaturan TOP ditelidiki dengan simulasi. Performa MF dilapisi WSe₂ seperti sensitivitas TOP dan waktu respons dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan menggunakan film tipis lapis tunggal, metode nanofabrikasi modern, dan dimensi MF yang dioptimalkan. Karya ini diharapkan dapat mempromosikan aplikasi realistis WSe₂ dalam modulator seluruh optik, perangkat optik yang dapat diatur multi-dimensi, dll.
