WSe₂包覆微光纤实现精准全光控制光传输

摘要

钨离子化硒（WSe₂）因其多功能应用备受关注，如p-n结、晶体管、光纤激光器、自旋电子学、太阳能转电。我们利用WSe₂宽吸收带宽与热光效应，演示WSe₂包覆微光纤（MF）的全光调谐。透射光功率（TOP）可用外部入射泵浦激光（405、532、660 nm）调谐。405 nm泵浦下灵敏度达0.30 dB/mW。532 nm泵浦下上升/下降时间~15.3/16.9 ms。理论模拟探讨TOP调谐机制。器件优势：制备简易、全光控制、高灵敏度、快速响应。拟议全光调谐器件在全光电路、全光调制器、多维可调光器件等有潜在应用。

引言

光电子学、光子学、微电子学是现代电信系统不可或缺部分。由微纳光学元件组成的光子器件旨在实现微型化、快速响应、高灵敏度[1]。可调全光器件适用于光通信与信号处理。光控光在光纤中已有报道，但提升性能尤其是TOP灵敏度与响应时间仍具挑战。改善性能的好方法之一是使用二维（2D）过渡金属二硫属化物（TMDs），其广泛用于传感器[2]、光电器件[3]、晶体管[4]、可饱和吸收体[5]、存储器件[6]。石烯装饰微光纤[7]、石烯覆盖微光纤[8]、立体石烯-微光纤结构[9]已实现全光调制。微光光纤连接液晶[10]、铌酸锂[11]、聚合物[12]也实现调谐。石烯覆盖顶底的全光调谐微光纤结微腔[13]。用不同二维材料包覆光滑无损微光纤表面可实现微光纤及微光纤谐振器的光控光功能。WS₂包覆微光纤结微腔全光控光报道：紫光泵浦下透射功率变化率~0.4 dB/mW，响应时间~0.1 s[14]。SnS₂包覆微光纤结微腔实现全光光控光：紫光下TOP变化率~0.22 dB/mW，响应快至~3.2 ms[15]。还原石烯氧化物包裹微光纤在紫光泵浦下TOP变化率~0.21 dB/mW[16]。MoSe₂包覆微光纤全光控光性质也被研究：紫光下TOP灵敏度~0.165 dB/mW，瞬态响应上升时间~0.6 s[17]。TOP灵敏度与响应时间是微光纤器件重要属性。全光调谐与光调制等应用需进一步提升二者。

作为典型TMDs材料，钨离子化硒（WSe₂）受广泛研究关注，是电子与光电子潜在重要构件。WSe₂具高塞贝克系数、超低热导率、双极性，是柔性电子学吸引人候选[18,19]。如基于WSe₂双极性实现p-n结电调谐[20]。利用WSe₂强激子充电效应在单层WSe₂晶体管中实现二次谐波电控制[21]。WSe₂在可见近红外区有大吸收系数，用于太阳能转电[22]。相比硫化物，硒化物在环境条件下更稳定抗氧化[23]。此外WSe₂提供高本征空穴迁移率500 cm² V⁻¹ s⁻¹，远高于MoS₂[24]。利用此性质，单层WSe₂实现高迁移率p/n型场效应晶体管[25]。单层WSe₂显示直接带隙强光致发光[26]。WSe₂非线性可饱和吸收特性用作光纤激光器可饱和吸收体[27]。WSe₂在基于WSe₂光纤器件中全光控光展现巨大潜力。

光学微光纤（MF）是直径几至十余微米的光纤锥度。通过火焰加热拉锥制造，形成双锥锥度，为导模光与周围环境相互作用及连接其他光纤化元件提供平台[28]。通过控制拉制速度与时间可微调MF剖面适配不同应用。MF优势：大倏逝场、可构型、低光损耗、紧密光限域、卓越机械柔性[29]。MF紧密光限域为小尺寸光电路和低阈值光非线性效应提供有前途途径。基于MF强倏逝场可获导模光与周围环境强快速相互作用。此特性用于不同构型光传感，如微光纤光栅[30]、表面功能化微光纤[31]、马赫-曾德尔干涉仪[32,33]。强光-物质相互作用也用于实现全光调制器、超快光纤激光器[34,35]、调谐与光控光功能。

本文利用WSe₂宽吸收带宽与热光效应，实现WSe₂包覆微光纤全光调谐。为实现全光调谐，用405、532、660 nm外部泵浦光照射微光纤。利用外部泵浦光与WSe₂相互作用实现有效折射率变化，进而诱导输出功率变化。测得405 nm泵浦下TOP灵敏度0.30 dB/mW。研究外部泵浦激光诱导温度变化与器件响应。理论模拟验证TOP调谐机制。

方法

WSe₂分散液浓度1 mg/ml，液相剥离法制得。为获均匀分布WSe₂纳米片，超声处理~30 min。用拉曼和UV-Vis吸收光谱表征WSe₂纳米片。488 nm激光激发WSe₂纳米片拉曼谱见图1a。WSe₂纳米片仅显示~252.2 cm⁻¹单一强振动模式，源于E₂g和A₁g模式简并。WSe₂薄片薄于四层时将出现5-11 cm⁻¹额外拉曼峰[36]。UV-Vis分光光度计（UV-2600, SHIMADZU）测得WSe₂纳米片吸收谱见图1b。300-700 nm波长范围内WSe₂纳米片有吸收。400-700 nm吸收随波长减小。比较405、532、660 nm三波长吸收，见图1b。

微光纤用“火焰刷拂”技术制造。从Corning标准单模光纤拉制，速度~0.2 mm/s，火焰加热。为实现WSe₂包覆微光纤全光控制，需合适微光纤腰径。较小腰径增强光与WSe₂相互作用，但因损耗大TOP可能太弱难检测。图2a显示制得均匀腰径区直径~9.5 µm微光纤。图2a插图为650 nm激光从输入端导入的微光纤显微图像。微光纤直径用光学显微镜（Zeiss Axio Scope A1）测量。图2b显示微光纤腰部长度~6 mm、直径~9.5 µm，总长~25 mm。

下一步将WSe₂纳米片沉积于微光纤。沉积前，微光纤固定于玻璃槽（20×5×1 mm，玻璃与UV胶Loctite 352制成）。随后用移液管滴加WSe₂分散液于微光纤。用1550 nm分布反馈（DFB）激光器监测沉积过程微光纤TOP。图3显示沉积前TOP约-10 dBm。沉积5 min后TOP骤降至-43 dBm。14 min后回升至-35 dBm。TOP稳定于-37 dBm，指示沉积完成。

包覆WSe₂纳米片微光纤扫描电镜（SEM）图见图4。图4a显示直径~9.5 µm微光纤上WSe₂纳米片沉淀，插图为放大图。图4b为包覆WSe₂纳米片微光纤横截面视图。图4b插图显示沉积WSe₂纳米片厚度~150 nm。

为研究WSe₂膜吸光，用COMSOL有限元法模拟WSe₂包覆微光纤导光。模型中150 nm WSe₂层包裹~9.5 µm微光纤。微光纤与WSe₂纳米片折射率分别为1.46和2.64+0.2i[37]。计算窗口20×20 µm，网格尺寸50 nm。波长固定1550 nm。计算微光纤与WSe₂包覆微光纤导模场分布。图5a显示1550 nm二维模式分布。对应图5a的WSe₂层微光纤导模有效折射率为1.4567-2.04×10⁻³ i，指示WSe₂吸收。沿图5a白虚线的裸微光纤与WSe₂包覆微光纤径向场分布见图5b。径向场分布峰值强度均在~0 µm处。图5b放大图显示WSe₂包覆微光纤场分布因折射率不连续突变。

图6展示用于表征WSe₂包覆微光纤全光控制的实验装置。1550 nm DFB激光器（SOF-155-D DFB LASER SOURCE, ACCELINK）接器件输入，输出用光功率计监测。405、532、660 nm激光作外部泵浦。WSe₂包覆微光纤置于激光器上方~10 cm处照射。首先用此装置测量无WSe₂微光纤TOP。

结果与讨论

图7a-c分别显示405、532、660 nm激光不同泵浦功率下相对功率变化。图7a显示裸微光纤405 nm照射下TOP变化<0.03 dB。532、660 nm类似，变化分别<0.02和<0.03 dB。

测量WSe₂纳米片包覆微光纤在不同泵浦功率下TOP。实验用405 nm（紫光）激光器（LSR405NL, Lasever Inc.）功率0-13.3 mW。图8a绘制405 nm照射下WSe₂包覆微光纤相对功率变化。TOP随泵浦功率增加。405 nm泵浦功率0→13.3 mW时TOP变化4.2 dB。功率13.3→0 mW时变化也为4.2 dB。为分析TOP与405 nm激光功率关系，提取图8a不同泵浦功率步长TOP平均值。TOP随泵浦光功率变化见图8b。TOP变化对泵浦功率灵敏度由线性拟合斜率决定。增/减紫光功率过程均得0.30 dB/mW灵敏度，验证全光控制重复性好、稳定性高。用532、660 nm激光分析WSe₂包覆微光纤全光控制。图8c显示532 nm（绿光）激光功率0→13.3 mW时TOP变化。TOP随绿光功率变化。增/减泵浦功率相对功率变化均为3.2 dB。TOP随不同泵浦光功率变化见图8d。增/减过程灵敏度均为0.23 dB/mW。660 nm（红光）泵浦类似。图8e显示红光功率0→17.0 mW时TOP增加2.9 dB，减小过程相同。图8f得红光下灵敏度增/减均为0.16 dB/mW。图8b、d、f中全光调谐线性度不同。增功率过程R²分别为0.907、0.976、0.984（紫、绿、红）；减功率过程R²为0.915、0.977、0.991。紫光灵敏度最好但红光线性度最佳。但MoSe₂包覆微光纤全光控制中980 nm光线性度与灵敏度优于405 nm[17]。故不同器件不同泵浦激光下线性度与灵敏度无固定关系。我们认为线性度与灵敏度与二维材料、沉积方法、光纤结构、泵浦光稳定性相关。

WSe₂包覆微光纤温度随激光照射变化。热电偶记录泵浦功率变化时温度。图9a显示不同紫光泵浦功率下温度变化。温度随泵浦功率升高。紫光泵浦功率0→13.3 mW时温度21.6→28.1 °C。功率13.3→0 mW时温度28.1→22.0 °C。绿、红泵浦温度变化亦监测。图9b显示绿光功率0-13.3 mW增/减分别诱导6.7、6.1 °C温度变化。图9c红光泵浦温度变化趋势相同。红光泵浦功率0-17.0 mW变化时温度变7.1、7.0 °C。温度随泵浦功率函数见图10。图10a紫光增/减功率线性拟合温度灵敏度分别为0.46、0.44 °C/mW。图10b绿光增/减温度灵敏度为0.44、0.41 °C/mW。红光增/减温度灵敏度均为0.41 °C/mW。结果表明WSe₂可视为全光控制与热光调谐的高效紧凑加热器[38]。为研究环境温度对器件性能影响，将WSe₂包覆微光纤置于陶瓷热板（CHP-250DF, AS ONE）测TOP。图11a显示环境温度22→30 °C时TOP变化<0.03 dB，验证器件对环境温度不敏感。图11b显示温度70→100 °C慢增时TOP变化<0.55 dB，高温下相对稳定。

用图12装置测量WSe₂包覆微光纤瞬态响应。1550 nm激光接微光纤输入。紫、绿、红激光输出经信号发生器（AFG 3102, Tektronix）调制，输出方波。光电探测器（Model 1811, New Focus）和示波器（DS1052E, RIGOL）监测微光纤输出。图13a-c分别显示紫、绿、红光照射下示波器监测响应。图13a紫光响应时间测量泵浦功率为16.8、20.3、22.8 mW。上升/下降时间分别为17.9、18.4 ms。图13b绿光泵浦功率8.3、13.7、20.0 mW。上升/下降时间15.3、16.9 ms。图13c红光泵浦功率10.7、16.8、20.5 mW，上升/下降时间16.9、18.3 ms。

TOP调谐灵敏度随紫、绿、红泵浦激光不同。因吸收在短波长更强（图1b）。WSe₂包覆微光纤全光控制TOP源于热光效应与光生载流子结合。外部泵浦光与WSe₂相互作用诱导WSe₂有效折射率变化。WSe₂纳米片吸收泵浦激光。WSe₂微光纤温度随泵浦功率升高（图9、10）。WSe₂实部折射率(nᵣ)随温度升高而降低[39]。nᵣ也因载流子浓度增加（与WSe₂纳米片电导率相关）而降低[40]。结果WSe₂包覆微光纤导模有效折射率(n_eff)随外部激光照射变化。光生载流子也导致WSe₂折射率变化并改变n_eff[38]。因此TOP可随外部泵浦激光改变。用有限元法模拟研究TOP调谐机制。图14a显示n_eff实部随nᵣ增加。nᵣ从2.44变至2.64时n_eff实部从1.4559增至1.4567[41,42]。n_eff=1.4559时模式电场分布见图14a插图。nᵣ变化提供不同模式电场分布。积分全截面电场分布计算输出电能量。图14b显示输出电能量随nᵣ从2.44增至2.64以1.76×10⁷ W/m²速率减小。因此输出功率随外部泵浦功率增加。模拟结果与实验吻合。为研究WSe₂层数对器件性能影响，用COMSOL有限元法模拟。四层WSe₂纳米片厚度2.8 nm，对应折射率3.7+0.2i[43]。n_eff实部vs nᵣ线性拟合见图15a。nᵣ从3.50变至3.70时n_eff实部增加。n_eff=1.4550619时模式电场分布见图15a插图，呈圆对称。对比图14a模式电场分布不对称，因光被150 nm WSe₂纳米片吸收。输出电能量随nᵣ从3.50增至3.70以1.41×10⁴ W/m²速率减小（图15b）。150 nm WSe₂纳米片输出电能量变化率远大于2.8 nm WSe₂纳米片，表明厚WSe₂纳米片提供更好全光调谐性能。

用三维时域有限差分（FDTD）（Lumerical FDTD Solution）计算WSe₂覆盖微光纤输出功率。图16a显示输出功率计算器件配置示意。模型中WSe₂层厚度、微光纤直径、微光纤折射率设为150 nm、9.5 µm、1.46。微光纤长度设10 µm定性计算。x、y、z方向网格分辨率10 nm。y=0 µm处x-z平面截面电场分布见图16b。计算透射率见图17。图17a显示微光纤透射率随nᵣ减小，趋势与COMSOL结果一致。nᵣ=2.44和2.64时损耗分别为10.80、10.94 dB/mm。固定WSe₂纳米片折射率2.64+0.2i计算1530-1570 nm波长透射率。图17b显示透射率随波长减小。波长1530→1570 nm时损耗10.58→10.85 dB/mm变化。

表1列出不同泵浦波长下光控光器件TOP灵敏度与响应时间性能比较。此处演示的全光控光结构较微光纤、微光纤结微腔、侧抛光光纤（SPF）结合各种材料具有更高灵敏度。WSe₂包覆微光纤响应快于微光纤结微腔结合WS₂、微光纤覆盖MoSe₂、SPF结合液晶、微光纤覆盖WS₂等全光调谐结构。多因素促成WSe₂包覆微光纤更高TOP灵敏度和更快响应：一、WSe₂提供可见光宽吸收带宽与热光效应用于全光调谐；二、微光纤结构优化增强光-物质相互作用；三、WSe₂纳米片包覆方法实现精确厚度控制与均匀材料沉积。

结论

我们制备并演示了基于外部泵浦光与WSe₂相互作用的WSe₂包覆微光纤全光调谐。通过外部泵浦光（405、532、660 nm）照射，WSe₂宽吸收带宽与热光效应实现有效折射率变化进而输出功率变化。可获得0.30 dB/mW灵敏度和15.3 ms下降时间。模拟研究TOP调谐机制。采用单层薄膜、现代纳米制造方法、优化微光纤尺寸可进一步提升WSe₂包覆微光纤TOP灵敏度与响应时间。本工作有望推动WSe₂在全光调制器、多维可调光器件等中的实际应用。

数据与材料可用性

所有数据完全无限制可用。

缩略语

2D:

二维

DFB:

分布反馈激光器；SEM 扫描电子显微镜

MF:

微光纤

MKR:

微光纤结微腔

n_eff:

有效折射率

nᵣ:

折射率

SPF:

侧抛光光纤

TMDs:

过渡金属二硫属化物

TOP:

透射光功率