WSe2 涂层超细纤维中光的全光学调谐

介绍

光电子学、光子学和微电子学在现代电信系统中是重要且不可或缺的。开发了由微米或纳米级光学元件组成的光子器件，以实现结构小型化、响应速度快和灵敏度高[1]。可调谐全光器件可应用于光通信和信号处理。已经报道了光纤中的光控光，但提高性能尤其是传输光功率 (TOP) 灵敏度和响应时间仍然是一个挑战。提高性能的一种好方法是使用二维 (2D) 过渡金属二硫属化物 (TMD)，其已广泛用于传感器 [2]、光电器件 [3]、晶体管 [4]、可饱和吸收器 [5] 和存储设备 [6]。全光调制已通过石墨烯装饰微纤维 (MF) [7]、石墨烯覆盖的微纤维 [8] 和立体石墨烯-MF 结构 [9] 实现。当 MF 连接到不同的材料，如液晶 [10]、铌酸锂 [11] 和聚合物 [12] 时，MF 器件的调谐已经实现。已经实现了顶部和底部被石墨烯覆盖的全光可调谐微纤维结谐振器（MKR）[13]。用不同的 2D 材料涂覆 MF 光滑无损的表面，可以实现 MF 和 MF 谐振器的光控光功能。据报道，WS2 涂层 MKR 中的光的全光学控制在紫光泵下传输功率变化率为 ~ 0.4 dB/mW，响应时间为 ~ 0.1 s [14]。也实现了涂有SnS2的MKR的全光控光功能；相对于紫光的 TOP 变化率为 ~ 0.22 dB/mW，响应时间快至 ~ 3.2 ms [15]。用还原氧化石墨烯包裹的 MF 的 TOP 由紫色泵浦光控制，变化率为 ~ 0.21 dB/mW [16]。还研究了 MoSe2 涂层 MF 的所有光控光特性；在紫色泵浦光下，TOP 灵敏度为~0.165 dB/mW，瞬态响应的上升时间为~0.6 s [17]。 TOP 灵敏度和响应时间是 MF 设备的重要特性。对于全光调谐和光调制等应用，需要提高TOP灵敏度和响应时间。

作为 TMDs 材料的典型例子，二硒化钨 (WSe2) 受到了极大的研究兴趣，它是电子和光电的潜在重要构建块。 WSe2 具有高塞贝克系数、超低热导率和双极性，使其成为柔性电子产品的有吸引力的候选者 [18, 19]。例如，基于 WSe2 [20] 的双极性已经实现了 p-n 结的电调谐。已经报道了使用 WSe2 中强激子充电效应对 WSe2 单层晶体管中二次谐波产生的电气控制 [21]。 WSe2 在可见光和近红外区域具有较大的吸收系数，已被用于将太阳能转化为电能 [22]。与硫化物相比，硒化物在环境条件下更稳定，更抗氧化[23]。此外，WSe2 提供了 500 cm ² 的高本征空穴迁移率 V ⁻¹ s ⁻¹ ，远高于 MoS2 [24]。使用 WSe2 的这种特性，已经报道了具有单层 WSe2 的高迁移率 p 型和 n 型场效应晶体管 [25]。单层 WSe2 显示出具有强光致发光的直接带隙 [26]。 WSe2 的非线性可饱和吸收特性已被用作光纤激光器中的可饱和吸收器 [27]。 WSe2在基于WSe2的光纤器件中显示出对光的全光控制的巨大潜力。

光学 MF 是直径从几微米到超过 10 微米的光纤锥度。 MF 是通过简单的火焰加热锥度在加热下拉伸光纤制造的。结果，形成了双锥形锥体，为引导光与周围环境之间的相互作用以及与其他纤维化组件的连接提供了一个平台 [28]。通过控制制造过程中的拉速和时间，可以微调 MF 轮廓以适应不同的应用。 MF 具有渐逝场大、可配置性、低光学损耗、严格的光学限制和出色的机械柔韧性等优点[29]。 MF 的严格光学限制为小尺寸光路和低阈值光学非线性效应提供了一种有前途的方法。基于 MF 的强渐逝场，可以获得引导光与周围环境之间强烈而快速的相互作用。 MF 的这种特性已被用于具有不同配置的光学传感，例如刻在 MF 上的光纤光栅 [30]、表面功能化的 MF [31] 和 Mach-Zehnder 干涉仪 [32, 33]。 MF 提供的强光物质相互作用也被应用于实现全光调制器、超快光纤激光器 [34, 35] 以及调谐和光控光功能。

在本文中，我们利用 WSe2 的宽吸收带宽和热光效应在 WSe2 涂层 MF 中实现光的全光调谐。为了实现全光调谐，使用波长为405、532和660 nm的外部泵浦光照射MF。通过利用外部泵浦光和 WSe2 之间的相互作用，实现了有效的指数变化并随后引起输出功率变化。在 405 nm 泵浦光激发下，测得的 TOP 灵敏度为 0.30 dB/mW。研究了外部泵浦激光器引起的温度变化和器件的响应。理论仿真验证了TOP的调谐机制。

方法

WSe2分散液的浓度为1 mg/ml，是通过液体剥离法得到的。为了获得分布均匀的 WSe2 纳米片，对 WSe2 分散体进行超声处理约 30 分钟。为了表征 WSe2 纳米片，测量了拉曼和 UV-VIS 吸收光谱。由 488 nm 激光激发的 WSe2 纳米片的拉曼光谱如图 1a 所示。 WSe2 纳米片在 252.2 cm ^–1 附近仅显示一种强振动模式 ，这是 E2g 和 A1g 模式退化的结果。在 5–11 cm ⁻¹ 处将出现一个额外的拉曼峰 当 WSe2 薄片比四层薄时 [36]。通过UV-VIS分光光度计（UV-2600，SHIMADZU）测量的WSe2纳米片的吸收光谱如图1b所示。在 300 到 700 nm 的波长范围内，WSe2 纳米片有吸收。从 400 到 700 nm，吸收随着波长的增加而减小。比较了3个波长405、532和660 nm处的吸收，如图1b所示。

一 WSe2 的拉曼光谱。 b WSe2的吸收光谱

MF 是使用“火焰刷”技术制造的。 MF 是通过以 ~ 0.2 mm/s 的速度拉制来自康宁公司的一片标准单模光纤并通过火焰加热而获得的。为了在 WSe2 涂层的中频中实现光的全光控制，需要适当的中频腰围。较小的 MF 腰使光和 WSe2 之间的相互作用更强，但由于损耗很大，TOP 可能太弱而无法检测到。图 2a 显示了在均匀腰部区域制造的直径约为 9.5 μm 的 MF。图 2a 的插图是 MF 的显微图像，在输入处发射 650 nm 激光。 MF 的直径使用光学显微镜（Zeiss Axio Scope A1 显微镜）测量。如图 2b 所示，MF 的腰区长度约为 6 mm，直径约为 9.5 μm。 MF 的总长度约为 25 mm。

一 制造的 MF 的显微图像。 b MF的形态特征

下一步是将 WSe2 纳米片沉积到 MF 上。在沉积之前，将 MF 固定到由玻璃和 UV 粘合剂（Loctite 352，Henkel Loctite Asia Pacific）制成的玻璃盆（20 mm × 5 mm × 1 mm）上。之后，使用移液管将 WSe2 分散体滴在 MF 上。使用 1550 nm 分布式反馈 (DFB) 激光器监测沉积过程中 MF 的 TOP。如图 3 所示，在沉积之前，TOP 约为 − 10 dBm。沉积 5 min 后，TOP 急剧下降至 − 43 dBm。然后 TOP 在 14 min 后增加到 − 35 dBm。 TOP稳定在-37 dBm，表明沉积完成。

WSe2沉积过程中MF中TOP的变化

涂覆有WSe2纳米片的MF的扫描电子显微镜（SEM）图像如图4所示。图4a显示了直径为~9.5 μm的WSe2纳米片沉淀在MF上，其放大图像显示在插图中图4a。图 4b 显示了涂覆有 WSe2 纳米片的 MF 的横截面图。图4b的插图显示沉积的WSe2纳米片的厚度为~150 nm。

一 涂覆有 WSe2 的 MF 的 SEM 图像。 b WSe2纳米片包覆MF截面图

为了研究 WSe2 薄膜的光吸收，在 COMSOL 中通过有限元方法模拟了 WSe2 涂层 MF 中的光导。在模型中，150 nm WSe2 层包裹在 ~ 9.5 μm MF 周围。 MF 和 WSe2 纳米片的折射率分别为 1.46 和 2.64 + 0.2i [37]。计算窗口为20 μm×20 μm，网格尺寸为50 nm。波长固定在 1550 nm。计算了 MF 和 WSe2 涂层的 MF 的模场分布。图 5a 显示了 1550 nm 处的 2D 模式分布。图5a对应的WSe2层MF中模式的有效指数为1.4567-2.04×10 ^-3 i，表示 WSe2 的吸收。沿着图 5a 的白色虚线的裸 MF 和 WSe2 涂层 MF 的径向场分布绘制在图 5b 中。径向场分布在 ~ 0 μm 处具有相同的峰值强度。在图 5b 的放大图像中，WSe2 涂层的 MF 的场分布显示出由于指数不连续性的突然变化。

一 WSe2 涂层 MF 中模拟引导模式的二维场分布。 b 裸MF和WSe2涂层MF的径向场分布，插图显示MF表面场的放大图像

使用图 6 所示的实验装置表征 WSe2 涂层 MF 中光的全光学控制。1550 nm DFB 激光器（SOF-155-D DFB LASER SOURCE，ACCELINK）连接到设备，输出由光功率计监测。 405-、532- 和 660-nm 激光器用于外部泵浦。涂覆有 WSe2 的 MF 被放置在样品上方约 10 cm 处的激光照射。首先，使用该实验装置测量没有WSe2的MF的TOP。

外激光照射下器件TOP测量实验装置

结果与讨论

图 7a-c 分别显示了 405、532 和 660 nm 激光器的各种泵浦功率的相对功率变化。如图 7a 所示，在 405 nm 激光照射下，裸 MF 的 TOP 变化小于 0.03 dB。 532 和 660 纳米激光器获得了类似的结果。 532nm和660nm激光器的TOP变化分别小于0.02和0.03 dB。

a下不同泵浦功率的TOP变化 405 纳米激光，b 532 纳米激光和 c 660nm激光照明

然后在不同的泵浦功率下测量涂覆有 WSe2 纳米片的 MF 的 TOP。实验使用范围从 0 到 13.3 mW 的 405 nm（紫色）激光功率（LSR405NL，Lasever Inc.）进行。图 8a 绘制了在 405 nm 激光照射下涂覆有 WSe2 纳米片的 MF 的相对功率变化。 TOP 随着泵功率的增加而增加。当 405 nm 激光器的泵浦功率从 0 增加到 13.3 mW 时，TOP 变化为 4.2 dB。当 405 米激光功率从 13.3 降低到 0 mW 时，TOP 变化也是 4.2 dB。为了分析 TOP 和 405 nm 激光功率之间的关系，提取了图 8a 中不同泵浦功率级的 TOP 平均值。 TOP随泵浦光功率的变化如图8b所示。 TOP变化对泵浦功率的敏感性由线性拟合曲线的斜率决定。增加紫光功率和减小紫光功率均获得0.30 dB/mW的灵敏度，验证了光的全光控制具有良好的重复性和稳定性。用 532 和 660 纳米激光器分析了涂有 Wse2 纳米片的 MF 的光的全光学控制。图 8c 显示了当 532 nm（绿色）激光功率从 0 增加到 13.3 mW 时的 TOP 变化。 TOP 随绿色激光功率的变化而变化。对于增加的泵浦功率（从 0 到 13.3 mW）和减少的泵浦功率（从 13.3 到 0 mW），相对功率变化都是 3.2 dB。不同泵浦光功率的 TOP 变化绘制在图 8d 中。增加和减少过程的灵敏度都是 0.23 dB/mW。 660 nm（红色）激光泵获得了类似的结果。如图 8e 所示，当红色激光功率从 0 增加到 17.0 mW 时，TOP 增加了 2.9 dB，并且功率变化与减小过程相同。红色激光照射下的灵敏度从图 8f 中获得，对于增加的泵浦功率（从 0 到 17.0 mW）和减少的泵浦功率（从 17.0 到 0 mW），灵敏度都是 0.16 dB/mW。在图 8b、d 和 f 中，对于全光调谐，线性度是不同的。在功率增加过程中，R ² 紫色、绿色和红色激光的值分别为 0.907、0.976 和 0.984。 R ² 在紫色、绿色和红色激光器的功率递减过程中分别获得了 0.915、0.977 和 0.991 的值。在这里，紫色激光提供更好的灵敏度，但红色激光的线性度更好。然而，对于 MoSe2 涂层 MF 中光的全光学控制，980-nm 光比 405-nm 光具有更好的线性度和灵敏度 [17]。因此，在不同泵浦激光器下，不同器件的线性度和灵敏度之间没有一致的关系。我们认为线性度和灵敏度与二维材料、沉积方法、纤维结构和泵浦光的稳定性有关。

一 不同 405 nm 激光功率下的 TOP 变化。 b TOP 变化与 405-nm 泵浦光功率的关系。 c 不同 532 nm 激光功率下的 TOP 变化。 d TOP 变化与 532-nm 泵浦光功率的关系。 e 不同 660 nm 激光功率下的 TOP 变化。 f TOP 变化与 660-nm 泵浦光功率的关系

应该注意的是，在激光照射下，涂覆有 WSe2 的 MF 的温度会发生变化。当泵功率变化时，温度由热电偶记录。图 9a 显示了各种紫色泵功率的温度变化。温度随着泵功率的增加而升高。当紫色泵功率从 0 增加到 13.3 mW 时，温度从 21.6 增加到 28.1 °C。当紫色泵功率从 13.3 降低到 0 mW 时，温度从 28.1 降低到 22.0 °C。还监测绿色和红色泵浦激光器的温度变化。如图 9b 所示，在 0 到 13.3 mW 的范围内增加和减少绿色激光功率可以分别引起 6.7 °C 和 6.1 °C 的温度变化。图9c显示了红色激光泵浦下的温度变化，具有相同的变化趋势。当红色泵浦功率在 0 和 17.0 mW 之间变化时，温度变化 7.1 °C 和 7.0 °C。作为泵浦功率函数的温度绘制在图 10 中。如图 10a 所示，温度变化的线性拟合给出了 0.46 °C/mW 和 0.44 °C/mW 的灵敏度，用于增加和减少紫色泵浦功率， 分别。图 10b 显示了增加和减少绿色泵浦功率的温度敏感性分别为 0.44 °C/mW 和 0.41 °C/mW。对于红色泵浦功率增减过程，测得的温度敏感性为0.41 °C/mW。结果表明，WSe2 可被视为用于全光控制和热光调谐的高效紧凑型加热器 [38]。为了研究环境温度对器件性能的影响，将涂覆有 WSe2 纳米片的 MF 放置在陶瓷电炉（CHP-250DF，AS ONE）上进行 TOP 测量。如图 11a 所示，当腔室温度从 22°C 变为 30°C 时，TOP 变化小于 0.03 dB。验证该设备对环境温度不敏感的结果。如图 11a 所示，当腔室温度从 22°C 变为 30°C 时，TOP 变化小于 0.03 dB。验证该设备对环境温度不敏感的结果。该器件在高温下用于全光调谐时相对稳定。如图 11b 所示，当温度从 70 缓慢升高到 100 °C 时，TOP 变化小于 0.55 dB。

不同a下WSe2纳米片包覆MF的温度 紫色泵功率，b 绿色泵功率，和 c 红色泵动力

温度作为 a 泵功率的函数 紫色激光，b 绿色激光和c 红色激光

a下涂覆有WSe2纳米片的MF的顶部 不同的环境温度和b 高温

使用图 12 所示的实验装置测量涂覆有 WSe2 纳米片的 MF 的瞬态响应。1550 nm 激光器连接到 MF 的输入端。紫色、绿色和红色激光器的输出由信号发生器（AFG 3102，Tektronix）调制。信号发生器的输出是方波。光电探测器（1811 型，New Focus）和示波器（DS1052E，RIGOL）用于监测 MF 的输出。图 13 a-c 分别显示了示波器在紫色、绿色和红色激光照射下监测到的响应。如图 13a 所示，用于响应时间测量的紫色泵功率为 16.8、20.3 和 22.8 mW。对于紫色激光，测量的上升时间和下降时间分别为 17.9 和 18.4 ms。对于绿色激光照明，泵浦功率为 8.3、13.7 和 20.0 mW，如图 13b 所示。测量到绿色激光器的上升时间和下降时间分别为 15.3 和 16.9 ms。如图13c所示，在泵浦功率为10.7、16.8和20.5 mW的红色激光照射下，上升时间和下降时间分别为16.9和18.3 ms。

瞬态响应测量实验装置

WSe2纳米片包覆MF的响应时间，泵浦光波长为a 紫色激光照明，b 绿色激光照明和c 红色激光照明

TOP 的调谐灵敏度对于紫色、绿色和红色泵浦激光器是不同的。这是因为吸收在较短的波长下要强得多，如图 1b 所示。 TOP的全光控制是由于MF中的热光效应和光生载流子与WSe2的结合。外部泵浦光和 WSe2 之间的相互作用导致 WSe2 的有效指数变化。 WSe2 纳米片吸收泵浦激光。 MF 与 WSe2 的温度随着泵浦功率的增加而增加，如图 3 和图 5 所示。 9 和 10. 折射率的实部 (n r ) 当带有 WSe2 的 MF 的温度升高时，WSe2 会降低 [39]。 n r 也由于载流子浓度的增加而降低，这与 WSe2 纳米片的电导率有关 [40]。结果，有效折射率 (n 涂有 WSe2 的 MF 中导模的 eff) 因外部激光照射而变化。光子产生的载流子也导致WSe2的折射率变化和n的变化 效果 [38]。因此，可以通过外部泵浦激光器改变 TOP。使用有限元方法，进行模拟以研究 TOP 调谐的机制。如图14a所示，n的实部 eff 随 n 增加 r . n 的实部 随着 n，eff 从 1.4559 增加到 1.4567 r 从 2.44 到 2.64 [41, 42]。 n 模式的电场分布 效果 1.4559 显示在图 14a 的插图中。 n 的变体 r 提供不同模式的电场分布。综合整个截面的电场分布，计算输出电能。如图14b所示，输出电能随着n而减小 r 从 2.44 到 2.64，比率为 1.76 × 10 ⁷ 宽/米。 ² 因此，输出功率随着外部泵浦功率的增加而增加。模拟结果与实验结果吻合良好。为了研究 WSe2 层数对器件性能的影响，在 COMSOL 中通过有限元方法进行了仿真。四层WSe2纳米片的厚度为2.8 nm，相应的WSe2折射率为3.7+0.2i[43]。 n 实部的线性拟合 eff 与 n r 如图 15a 所示。 n 的实部 eff 随 n 增加 r 当它从 3.50 变化到 3.70 时。 n 模式的电场分布 1.4550619 的 eff 显示在图 15a 的插图中，该插图是圆形对称的。相比之下，图 14a 中模式的电场分布是不对称的，因为光被 150-nm WSe2 纳米片吸收。 n时输出电能减少 r 从 3.50 增加到 3.70，比率为 1.41 × 10 ⁴ 瓦/米 ² ，如图 15b 所示。 150 nm WSe2纳米片的输出电能变化率远大于2.8nm WSe2纳米片，表明较厚的WSe2纳米片为全光调谐提供了更好的性能。

一 n 的众数实部 eff 作为 n 的函数 r 对于 150-nm WSe2 纳米片。并且插图是具有 n 的模式的电场分布 效率为 1.4559。 b 输出电能对n的依赖性 r 150-nm WSe2纳米片

一 n 的众数实部 eff 与 n r 对于四层 WSe2 纳米片。并且插图是具有 n 的模式的电场分布 效率为 1.4550619。 b 输出电能对n的依赖性 r 四层WSe2纳米片

3D 有限差分时域 (FDTD)（Lumerical FDTD 解决方案）用于计算叠加了 WSe2 的 MF 的输出功率。用于输出功率计算的器件配置示意图如图 16a 所示。在模型中，WSe2层的厚度、MF的直径和MF的折射率分别设置为150 nm、9.5 μm和1.46。 MF 的长度设置为 10 μm 用于定性计算。 x , y 和 z 方向的网格分辨率为 10 nm。 x中的电场分布 -z 在 y 处的平面横截面切割 =0 μm如图16b所示。计算出的透射率如图 17 所示。 如图 17a 所示，MF 的透射率随着 n 减小 r ，变化趋势与 COMSOL 得到的结果一致。 n 的损耗分别为 10.80 和 10.94 dB/mm r =2.44 和 n r =2.64，分别。然后计算波长从 1530 到 1570 nm 的 MF 透射率，WSe2 纳米片的折射率固定为 2.64 + 0.2i。如图 17b 所示，透射率随波长降低。当波长从1530变化到1570 nm时，损耗从10.58变化到10.85 dB/mm。

一 使用 3D FDTD 计算的设备配置示意图。 b x中的电场分布 -z 平面截面

作为 a 函数的计算透射率 n r 和 b 波长

光控光器件的性能在不同泵浦光波长下的 TOP 灵敏度和响应时间方面进行了比较，如表 1 所示。 与 MF、MKR 相比，这里展示的光结构的全光控制具有更高的灵敏度，以及与各种材料相结合的侧面抛光纤维（SPF）。 WSe2包覆的MF比MKR结合WS2、MF叠加MoSe2、SPF结合液晶、WS2包覆MF等全光调谐结构响应更快。不同的因素导致覆盖有 WSe2 的 MF 具有更高的 TOP 灵敏度和更快的响应时间。首先，WSe2 为全光调谐提供了可见光和热光效应的宽吸收带宽。其次，MF结构被优化以增强光-物质相互作用。 Thirdly, the WSe2 nanosheets coating method enables precise nanosheet thickness control and uniform material deposition.

结论

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.

数据和材料的可用性

所有数据完全可用，不受限制。

缩写

二维：

二维

DFB：

Distributed feedback laser; SEM

扫描电镜

MF:

Microfiber

MKR:

Microfiber knot resonator

n 效果：

有效折射率

n r ：

Refractive index

SPF:

Side-polished fiber

TMD：

过渡金属二硫属化物

TOP:

Transmitted optical power