WSe2 코팅 극세사에서 빛의 전광학 조정

초록

텅스텐 디셀레나이드(WSe₂ )은 pn 접합, 트랜지스터, 파이버 레이저, 스핀트로닉스 및 태양 에너지를 전기로 변환하는 것과 같은 다양한 응용 분야로 인해 상당한 관심을 끌었습니다. WSe₂에서 빛의 전광학 튜닝을 시연합니다. -WSe₂를 사용한 코팅된 극세사(MF) 의 넓은 흡수 대역폭과 열광학 효과. 투과된 광출력(TOP)은 외부 입사 펌프 레이저(405, 532 및 660 nm)를 사용하여 조정할 수 있습니다. 405nm 펌프 광 여기에서 감도는 0.30 dB/mW입니다. 532nm 펌프 광 여기에서 ~ 15.3/16.9 ms의 상승/하강 시간이 달성됩니다. TOP의 튜닝 메커니즘을 조사하기 위해 이론적 시뮬레이션이 수행됩니다. 이 장치의 장점은 손쉬운 제작, 전광학 제어, 고감도 및 빠른 응답입니다. 제안된 전광 가변 소자는 전광 회로, 전광 변조기, 다차원 가변 광 소자 등에 잠재적으로 응용할 수 있습니다.

소개

광전자공학, 포토닉스 및 마이크로일렉트로닉스는 현대 통신 시스템에서 중요하고 필수 불가결한 요소입니다. 마이크로 또는 나노미터 규모의 광학 부품으로 구성된 광소자는 구조의 소형화, 빠른 응답 및 고감도를 달성하기 위해 개발되었습니다[1]. 조정 가능한 전광 소자는 광통신 및 신호 처리에 적용될 수 있습니다. 광섬유의 광 제어 빛이 보고되었지만 성능, 특히 전송 광 전력(TOP) 감도 및 응답 시간을 향상시키는 것은 여전히 과제로 남아 있습니다. 성능을 향상시키는 좋은 방법 중 하나는 센서[2], 광전자 소자[3], 트랜지스터[4], 포화 흡수체[5] 및 메모리 장치[6]. 전광학 변조는 그래핀으로 장식된 극세사(MF)[7], 그래핀으로 덮인 MF[8], 스테레오 그래핀-MF 구조[9]로 실현되었습니다. MF 장치의 조정은 MF가 액정[10], 리튬 니오베이트[11] 및 폴리머[12]와 같은 다른 재료에 연결될 때 달성되었습니다. 상부와 하부가 그래핀으로 덮인 전광 파장 가변 극세사 매듭 공진기(MKR)가 실현되었다[13]. MF의 매끄럽고 무손실 표면을 서로 다른 2D 재료로 코팅하면 MF 및 MF 공진기의 광 제어 조명 기능이 가능합니다. WS₂에서 빛의 전광학 제어 -코팅된 MKR은 보라색 펌프에서 ~ 0.4 dB/mW의 전송 전력 변화율과 ~ 0.1 s의 응답 시간으로 보고되었습니다[14]. SnS₂로 코팅된 MKR의 전광 조명 제어 조명 기능 또한 실현되었습니다. 보라색 빛에 대한 TOP 변화율은 ~ 0.22 dB/mW이고 응답 시간은 ~ 3.2 ms만큼 빠릅니다[15]. 환원된 그래핀 옥사이드로 포장된 MF의 TOP은 ~ 0.21 dB/mW의 변화율로 보라색 펌프 광에 의해 조작되었습니다[16]. MoSe₂의 모든 조명 제어 조명 속성 -코팅된-MF도 조사되었습니다. TOP 감도는 보라색 펌프 조명에서 ~ 0.165 dB/mW이고 과도 응답의 상승 시간은 ~ 0.6 s입니다[17]. TOP 감도와 응답 시간은 MF 장치의 중요한 속성입니다. 전광 튜닝 및 광 변조와 같은 응용 분야의 경우 TOP 감도 및 응답 시간의 개선이 필요합니다.

TMD 재료의 대표적인 예로 이셀렌화텅스텐(WSe₂ )은 많은 연구 관심을 받았으며 잠재적으로 전자 및 광전자의 중요한 빌딩 블록입니다. WSe₂ 높은 Seebeck 계수, 초저 열전도율 및 양극성을 가지므로 유연한 전자 장치에 대한 매력적인 후보입니다[18, 19]. 예를 들어, pn 접합의 전기적 튜닝은 WSe₂의 양극성을 기반으로 달성되었습니다. [20]. WSe₂에서 2차 고조파 발생의 전기적 제어 단층 트랜지스터는 WSe₂에서 강력한 여기자 충전 효과를 사용하는 것으로 보고되었습니다. [21]. WSe₂ 가시광선과 근적외선 영역에서 흡수계수가 커서 태양에너지를 전기로 변환하는데 활용되고 있다[22]. 황화물과 비교하여 셀렌화물은 주변 조건에서 더 안정적이고 산화에 강합니다[23]. 또한 WSe₂ 500 cm² 의 높은 고유 구멍 이동도 제공 V⁻¹ s⁻¹ , MoS₂보다 훨씬 높습니다. [24]. WSe₂의 이 속성 사용 , 단층 WSe₂로 높은 이동도 p형 및 n형 전계 효과 트랜지스터가 보고되었습니다. [25]. 단층 WSe₂ 강한 광발광으로 직접적인 밴드갭을 보인다[26]. WSe₂의 비선형 포화 흡수 특성 파이버 레이저에서 포화 흡수체로 적용되었습니다[27]. WSe₂ WSe₂에서 빛의 전광학 제어에 대한 큰 잠재력을 보여줍니다. 기반 광섬유 장치.

광섬유 MF는 직경이 수~10μm 이상인 광섬유 테이퍼입니다. MF는 열로 섬유를 끌어 당기는 단순한 화염 가열 테이퍼로 제조됩니다. 그 결과, 유도된 빛과 주변 환경 간의 상호 작용과 다른 섬유화된 구성 요소와의 연결을 위한 플랫폼을 제공하는 쌍원뿔형 테이퍼가 형성됩니다[28]. MF 프로파일은 제조 공정에서 당기는 속도와 시간을 제어하여 다양한 응용 분야에 맞게 미세하게 조정할 수 있습니다. MF는 큰 소멸 필드, 구성 가능성, 낮은 광학 손실, 엄격한 광학 제한 및 뛰어난 기계적 유연성의 장점을 가지고 있습니다[29]. MF의 엄격한 광학적 구속은 작은 설치 면적의 광학 회로와 낮은 임계값의 광학 비선형 효과에 대한 유망한 접근 방식을 제공합니다. MF의 강한 소멸장을 기반으로 유도광과 주변 사이의 강력하고 빠른 상호 작용을 얻을 수 있습니다. MF의 이러한 속성은 MF에 새겨진 섬유 격자[30], 표면 기능화된 MF[31] 및 Mach-Zehnder 간섭계[32, 33]와 같은 다양한 구성의 광학 감지에 활용되었습니다. MF가 제공하는 강력한 광물질 상호작용은 전광 변조기, 초고속 파이버 레이저[34, 35], 튜닝 및 광 제어 조명 기능을 실현하기 위해 적용되었습니다.

이 논문에서는 WSe₂의 넓은 흡수 대역폭과 열광학 효과를 사용합니다. WSe₂에서 빛의 전광학 튜닝을 수행하기 위해 코팅된 MF. 전체 광학 튜닝을 실현하기 위해 405, 532 및 660 nm 파장의 외부 펌프 광을 사용하여 MF를 조사합니다. 외부 펌프 조명과 WSe₂ 간의 상호 작용을 사용하여 , 효과적인 인덱스 변경이 구현되고 이에 따라 출력 전력 변동이 유발됩니다. 측정된 TOP 감도는 405nm 펌프 광 여기에서 0.30 dB/mW입니다. 외부 펌프 레이저로 인한 온도 변화 및 장치의 응답을 조사합니다. TOP의 튜닝 메커니즘을 확인하기 위해 이론적인 시뮬레이션을 수행합니다.

방법

WSe₂의 농도 분산액은 1 mg/ml로 액체 박리법을 통해 얻었다. WSe₂를 얻으려면 균일한 분포의 나노시트, WSe₂의 초음파 처리 ~ 30분 동안 분산을 수행했습니다. WSe₂를 특성화하기 위해 나노시트, 라만 및 UV-VIS 흡수 스펙트럼을 측정하였다. WSe₂의 라만 스펙트럼 488nm 레이저에 의해 여기된 나노시트가 그림 1a에 나와 있습니다. WSe₂ 나노시트는 252.2 cm^–1 주변에 하나의 강력한 진동 모드만 표시합니다. , 이는 E_2g의 퇴화의 결과입니다. 및 A_1g 모드. 추가 라만 피크는 5–11 cm⁻¹ 에서 나타납니다. WSe₂일 때 플레이크는 4개 층보다 얇습니다[36]. WSe₂의 흡수 스펙트럼 UV-VIS 분광광도계(UV-2600, SHIMADZU)로 측정한 나노시트가 그림 1b에 나와 있습니다. 300~700 nm의 파장 범위에서 WSe₂ 나노시트는 흡수력이 있습니다. 400에서 700 nm까지는 파장에 따라 흡수가 감소합니다. 그림 1b와 같이 405, 532, 660 nm의 세 파장에서 흡수를 비교합니다.

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아 WSe₂의 라만 스펙트럼 . ㄴ WSe₂의 흡수 스펙트럼

MF는 "flame-brushing" 기술을 사용하여 제조되었습니다. MF는 Corning Inc.의 표준 단일 모드 섬유 조각을 화염에 의해 가열된 ~ 0.2mm/s의 속도로 당겨서 얻었습니다. WSe₂에서 빛의 전광학적 제어를 실현하기 위해 -코팅된 MF, MF의 적절한 허리가 필요합니다. 더 작은 MF 허리는 빛과 WSe₂ 사이의 더 강한 상호 작용을 가능하게 합니다. , 그러나 손실이 크기 때문에 TOP이 너무 약하여 감지되지 않을 수 있습니다. 그림 2a는 균일한 허리 부분에서 직경 ~ 9.5 μm로 제작된 MF를 보여줍니다. 그림 2a의 삽입은 입력에서 발사된 650nm 레이저를 사용한 MF의 현미경 이미지입니다. MF의 직경은 광학현미경(Zeiss Axio Scope A1 현미경)을 사용하여 측정하였다. Fig. 2b와 같이 MF의 허리 부분은 ~ 6 mm의 길이와 ~ 9.5 μm의 직경을 가진다. MF의 전체 길이는 ~ 25 mm입니다.

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아 제작된 MF의 현미경 이미지. ㄴ MF의 형태적 특성

다음 단계는 WSe₂의 기탁이었습니다. MF에 나노시트 증착 전에 MF는 유리와 UV 접착제(Loctite 352, Henkel Loctite Asia Pacific)로 만들어진 유리 용기(20 mm × 5 mm × 1 mm)에 고정되었습니다. 그 후 WSe₂ 분산액을 피펫을 사용하여 MF에 떨어뜨렸습니다. 증착 공정 중 MF의 TOP은 1550nm DFB(Distributed Feedback) 레이저를 사용하여 모니터링되었습니다. 도 3에 도시된 바와 같이, 증착 전 TOP은 약 -10 dBm이다. 5분의 증착 후 TOP은 -43 dBm으로 급격히 감소합니다. 그런 다음 TOP은 14 분 후에 -35 dBm으로 증가합니다. TOP은 − 37 dBm에서 안정되어 증착이 완료되었음을 나타냅니다.

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WSe₂ 증착 중 MF의 TOP 변화

WSe₂로 코팅된 MF의 주사 전자 현미경(SEM) 이미지 나노시트는 그림 4에 나와 있습니다. 그림 4a는 WSe₂ 나노 시트는 직경이 ~ 9.5 μm인 MF에 침전되며 확대된 이미지가 그림 4a의 삽입 그림에 나와 있습니다. WSe₂로 코팅된 MF의 단면도 나노 시트는 그림 4b에 나와 있습니다. 그림 4b의 삽입은 증착된 WSe₂의 두께가 나노시트는 ~ 150 nm입니다.

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아 WSe₂로 코팅된 MF의 SEM 이미지 . ㄴ WSe₂로 코팅된 MF의 단면도 나노시트

WSe₂의 빛 흡수를 조사하기 위해 영화, WSe₂의 라이트 가이딩 -코팅된 MF는 COMSOL에서 유한 요소 방법으로 시뮬레이션되었습니다. 모델에서 150nm WSe₂ 레이어는 ~ 9.5 μm MF 주위를 감쌉니다. MF 및 WSe₂의 굴절률 나노시트는 각각 1.46 및 2.64 + 0.2i[37]입니다. 계산 창은 20 μm × 20 μm이고 메쉬 크기는 50 nm입니다. 파장은 1550 nm로 고정되었습니다. MF 및 WSe₂의 모드 필드 분포 -코팅된 MF를 계산했습니다. 그림 5a는 1550 nm에서 2D 모드 분포를 보여줍니다. WSe₂가 있는 MF 모드의 유효 인덱스 그림 5a에 해당하는 레이어는 1.4567–2.04 × 10^-3 입니다. i, WSe₂를 나타냅니다. 의 흡수. 베어 MF 및 WSe₂의 방사상 필드 분포 도 5a의 흰색 점선을 따라 코팅된 MF가 도 5b에 도시되어 있다. 방사형 필드 분포는 ~ 0 μm에서 동일한 피크 강도를 갖습니다. 그림 5b의 확대 이미지에서 WSe₂의 필드 분포는 -코팅된 MF는 인덱스 불연속성의 결과로 급격한 변화를 보여줍니다.

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아 WSe₂에서 시뮬레이션된 안내 모드의 2D 필드 분포 -코팅된 MF. ㄴ 베어 MF 및 WSe₂의 방사형 필드 분포 -코팅된 MF 및 삽입된 부분은 MF 표면에서 필드의 확대된 이미지를 보여줍니다.

WSe₂에서 빛의 전광학 제어 -코팅된 MF는 그림 6과 같은 실험 설정을 사용하여 특성화됩니다. 1550nm DFB 레이저(SOF-155-D DFB LASER SOURCE, ACCELINK)는 장치의 입력에 연결되고 출력은 장치에 의해 모니터링됩니다. 광파워미터. 405-, 532- 및 660-nm 레이저는 외부 펌프에 사용됩니다. WSe₂로 코팅된 MF 샘플 위 ~ 10 cm에 배치된 레이저에 의해 조사됩니다. 먼저 WSe₂가 없는 MF의 TOP 이 실험 설정을 사용하여 측정됩니다.

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외부 레이저 조명 하에서 장치의 TOP 측정을 위한 실험 설정

결과 및 토론

그림 7a–c는 각각 405nm, 532nm 및 660nm 레이저의 다양한 펌프 출력에 대한 상대 출력 변화를 보여줍니다. 그림 7a에서 볼 수 있듯이 405nm 레이저 조사에서 베어 MF의 TOP 변화는 0.03 dB보다 작습니다. 532 및 660nm 레이저에 대해서도 유사한 결과가 얻어집니다. TOP 변화는 532nm 및 660nm 레이저에 대해 각각 0.02 및 0.03 dB보다 작습니다.

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a에서 다른 펌프 전력으로 TOP 변경 405nm 레이저, b 532nm 레이저 및 c 660nm 레이저 조명

그런 다음 WSe₂로 코팅된 MF의 TOP 나노시트는 다른 펌프 파워에서 측정됩니다. 실험은 0 ~ 13.3 mW 범위의 405nm(보라색) 레이저 출력(LSR405NL, Laser Inc.)으로 수행됩니다. 그림 8a는 WSe₂로 코팅된 MF의 상대 전력 변화를 나타냅니다. 405nm 레이저 조명에서 나노 시트. TOP은 펌프 출력에 따라 증가합니다. 405nm 레이저의 펌프 출력이 0에서 13.3 mW로 증가할 때 TOP 변화는 4.2 dB입니다. 405m 레이저 출력이 13.3mW에서 0 mW로 감소할 때 TOP 변화도 4.2 dB입니다. TOP과 405nm 레이저 출력 사이의 관계를 분석하기 위해 그림 8a에서 펌프 출력의 여러 단계에 대한 TOP의 평균값을 추출했습니다. 펌프 광 전력에 따른 TOP의 변화는 그림 8b에 나와 있습니다. 펌프 동력에 대한 TOP 변동의 민감도는 선형 피팅 곡선의 기울기에 의해 결정됩니다. 0.30 dB/mW의 감도는 증가하는 보라색 전력과 감소하는 보라색 전력에 대해 얻어지며 빛의 전광학 제어가 좋은 반복성과 안정성을 가지고 있음을 확인합니다. Wse₂로 코팅된 MF의 빛을 전광적으로 제어 나노시트는 532 및 660nm 레이저로 분석됩니다. 그림 8c는 532nm(녹색) 레이저 출력이 0에서 13.3 mW로 증가할 때의 TOP 변화를 나타냅니다. TOP은 녹색 레이저 출력으로 변경됩니다. 상대 전력 변동은 증가하는 펌프 전력(0에서 13.3 mW로)과 감소하는 펌프 전력(13.3에서 0 mW로) 모두에 대해 3.2 dB입니다. 다른 펌프 광 전력에 대한 TOP 변화는 그림 8d에 표시됩니다. 감도는 증가 및 감소 프로세스 모두에 대해 0.23 dB/mW입니다. 660nm(적색) 레이저 펌프에 대해서도 유사한 결과가 얻어집니다. Fig. 8e에서 보는 바와 같이 red laser power가 0에서 17.0 mW로 증가할 때 TOP이 2.9 dB 증가하였고, power 변화는 감소 과정에서도 동일하였다. 적색 레이저 조명 하에서의 감도는 증가하는 펌프 전력(0에서 17.0 mW)과 감소하는 펌프 전력(17.0에서 0 mW) 모두에 대해 0.16 dB/mW인 그림 8f에서 얻습니다. 그림 8b, d, f에서 전광학 튜닝의 경우 선형성이 다릅니다. 증가하는 전력 프로세스 동안 R ² 값은 보라색, 녹색 및 빨간색 레이저에 대해 각각 0.907, 0.976 및 0.984입니다. R ² 0.915, 0.977 및 0.991의 값은 각각 보라색, 녹색 및 빨간색 레이저에 대한 감소 전력 프로세스에서 얻습니다. 여기서 보라색 레이저가 더 나은 감도를 제공하지만 빨간색 레이저의 선형성이 더 좋습니다. 그러나 MoSe_2-에서 빛의 전광학 제어를 위해 코팅된 MF에서 980nm 광은 405nm 광보다 선형성과 감도가 더 좋습니다[17]. 따라서 서로 다른 펌프 레이저에서 서로 다른 장치에 대한 선형성과 감도 사이에는 일관된 관계가 없습니다. 선형성과 감도는 2D 재료, 증착 방법, 섬유 구조 및 펌프 라이트의 안정성과 관련이 있다고 생각합니다.

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아 다양한 405nm 레이저 출력에서 TOP 변화. ㄴ TOP 변화 대 405nm 펌프 광 전력. ㄷ 다양한 532nm 레이저 출력에서 TOP 변화. d TOP 변화 대 532nm 펌프 광 전력. 이 다양한 660nm 레이저 출력에서 TOP 변화. 에 TOP 변형 대 660nm 펌프 광 출력

WSe₂로 코팅된 MF의 온도는 레이저 조명 하에서의 변화. 온도는 펌프 전원이 변경될 때 열전쌍에 의해 기록됩니다. 그림 9a는 다양한 보라색 펌프 전력에 대한 온도 변화를 보여줍니다. 온도는 펌프 동력에 따라 증가합니다. 보라색 펌프 전력이 0에서 13.3 mW로 증가할 때 온도는 21.6 에서 28.1 °C로 증가합니다. 보라색 펌프 전력이 13.3에서 0 mW로 감소하면 온도는 28.1에서 22.0 °C로 감소합니다. 녹색 및 적색 펌프 레이저에 대한 온도 변화도 모니터링됩니다. 도 9b에 도시된 바와 같이, 0에서 13.3 mW 범위에서 녹색 레이저 출력을 증가 및 감소시키면 각각 6.7 °C 및 6.1 °C 온도 변화를 유발할 수 있습니다. 그림 9c는 동일한 변화 경향을 갖는 적색 레이저 펌프에서의 온도 변화를 보여줍니다. 적색 펌프 전력이 0에서 17.0 mW 사이에서 변할 때 온도는 7.1 °C 및 7.0 °C씩 변합니다. 펌프 동력의 함수로서의 온도는 그림 10에 표시되어 있습니다. 그림 10a에서 볼 수 있듯이 온도 변화의 선형 맞춤은 보라색 펌프 동력의 증가 및 감소에 대해 0.46 °C/mW 및 0.44 °C/mW의 감도를 제공합니다. , 각각. 그림 10b는 녹색 펌프 전력을 증가 및 감소시킬 때 각각 0.44 °C/mW 및 0.41 °C/mW인 온도 감도를 보여줍니다. 적색 펌프 전력 증가 및 감소 프로세스의 경우 온도 감도는 0.41 °C/mW로 측정됩니다. 결과는 WSe₂를 나타냅니다. 모든 광학 제어 및 열광학 튜닝을 위한 효율적이고 컴팩트한 히터로 간주될 수 있습니다[38]. 주변 온도가 장치 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해 WSe₂로 코팅된 MF 나노시트는 TOP 측정을 위해 세라믹 핫플레이트(CHP–250DF, AS ONE)에 배치됩니다. Fig. 11a에서 보는 바와 같이 챔버 온도가 22°C에서 30°C로 변할 때 TOP 변화는 0.03 dB보다 작다. 이 장치가 환경 온도에 둔감함을 확인하는 결과입니다. Fig. 11a에서 보는 바와 같이 챔버 온도가 22°C에서 30°C로 변할 때 TOP 변화는 0.03 dB보다 작다. 이 장치가 환경 온도에 둔감함을 확인하는 결과입니다. 이 장치는 전광학 튜닝을 위해 고온에서 사용할 때 비교적 안정적입니다. Fig. 11b에서 보는 바와 같이 온도를 70 에서 100 °C로 천천히 증가시키면 TOP 변화는 0.55 dB보다 작아진다.

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WSe₂로 코팅된 MF의 온도 다른 a용 나노시트 보라색 펌프 전원, b 녹색 펌프 전원 및 c 빨간 펌프 힘

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a에 대한 펌프 전력의 함수로서의 온도 보라색 레이저, b 녹색 레이저 및 c 빨간 레이저

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WSe₂로 코팅된 MF의 TOP a 아래의 나노시트 다른 환경 온도 및 b 고온

WSe₂로 코팅된 MF의 과도 응답 나노시트는 그림 12에 표시된 실험 설정을 사용하여 측정됩니다. 1550nm 레이저는 MF 입력에 연결됩니다. 보라색, 녹색 및 빨간색 레이저의 출력은 신호 발생기(AFG 3102, Tektronix)에 의해 변조됩니다. 신호 발생기의 출력은 구형파입니다. 광검출기(모델 1811, New Focus)와 오실로스코프(DS1052E, RIGOL)는 MF의 출력을 모니터링하는 데 사용됩니다. 그림 13 a–c는 각각 보라색, 녹색 및 빨간색 레이저 조명에서 오실로스코프에 의해 모니터링되는 응답을 보여줍니다. 그림 13a와 같이 보라색 펌프 전력은 응답 시간 측정에 대해 16.8, 20.3 및 22.8 mW입니다. 상승 시간 및 하강 시간은 보라색 레이저에 대해 각각 17.9 및 18.4 ms로 측정되었습니다. 녹색 레이저 조명의 경우 펌프 전력은 그림 13b와 같이 8.3, 13.7 및 20.0 mW입니다. 상승 시간과 하강 시간은 녹색 레이저에 대해 각각 15.3 및 16.9 ms로 측정되었습니다. 도 13c에 도시된 바와 같이, 10.7, 16.8 및 20.5 mW의 펌프 파워를 갖는 적색 레이저 조명 하에서, 상승 시간 및 하강 시간은 각각 16.9 및 18.3 ms이다.

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과도 응답 측정의 실험 설정

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WSe₂로 코팅된 MF의 응답 시간 펌프 광 파장이 a인 나노시트 보라색 레이저 조명, b 녹색 레이저 조명 및 c 적색 레이저 조명

TOP의 튜닝 감도는 보라색, 녹색 및 빨간색 펌프 레이저에 따라 다릅니다. 이는 Fig. 1b와 같이 짧은 파장에서 흡수가 훨씬 강하기 때문이다. TOP의 전광학 제어는 WSe₂가 있는 MF의 열광학 효과와 광자 생성 캐리어의 조합으로 인한 것입니다. . 외부 펌프 조명과 WSe₂ 간의 상호 작용 WSe₂의 효과적인 인덱스 변경을 유도합니다. . WSe₂ 나노시트는 펌프 레이저 광을 흡수합니다. WSe₂가 있는 MF의 온도 그림과 같이 펌프의 힘에 따라 증가합니다. 9 및 10. 굴절률의 실수부(n _r )의 WSe₂ WSe₂가 있는 MF의 온도가 감소하면 증가한다[39]. n _r 또한 WSe₂의 전도도와 관련된 캐리어 농도의 증가로 인해 감소합니다. 나노시트[40]. 결과적으로 유효 굴절률(n _에프 ) WSe₂로 코팅된 MF의 가이드 모드 외부 레이저 조명에 따라 달라집니다. 광자 생성 캐리어는 또한 WSe₂의 지수 변동으로 이어집니다. 및 n의 변경 _에프 [38]. 따라서 외부 펌프 레이저로 TOP을 변경할 수 있습니다. 유한 요소 방법을 사용하여 TOP 튜닝 메커니즘을 조사하기 위해 시뮬레이션이 수행됩니다. 그림 14a와 같이 n의 실수부는 _에프 n 증가 _r . n의 실수부 _에프 n으로 1.4559에서 1.4567로 증가 _r 2.44에서 2.64까지 다양합니다[41, 42]. n 모드의 전계 분포 _효과 1.4559의 값은 그림 14a의 삽입에 나와 있습니다. n의 변형 _r 다른 모드 전기장 분포를 제공합니다. 전체 단면의 전계 분포를 통합하여 출력 전기 에너지를 계산합니다. 그림 14b와 같이 출력 전기 에너지는 n _r 1.76 × 10⁷ 비율로 2.44에서 2.64로 W/m.² 따라서 외부 펌프 전력에 따라 출력 전력이 증가합니다. 시뮬레이션 결과는 실험 결과와 잘 일치합니다. WSe₂의 영향을 조사하기 위해 장치 성능에 대한 레이어 번호, COMSOL에서 유한 요소 방법으로 시뮬레이션을 수행했습니다. 4층 WSe₂의 두께 나노시트는 2.8 nm이고 WSe₂의 해당 굴절률 3.7 + 0.2i[43]입니다. n의 실수부의 선형 맞춤 _에프 대 n _r 도 15a에 도시되어 있다. n의 실수부 _에프 n 증가 _r 3.50에서 3.70으로 다양할 때. n 모드의 전계 분포 _에프 1.4550619의 값은 원형 대칭인 도 15a의 삽입도에 나와 있습니다. 이에 비해 그림 14a의 모드의 전계 분포는 150nm WSe₂에 의해 빛이 흡수되기 때문에 비대칭입니다. 나노시트. 출력 전기 에너지는 n일 때 감소합니다. _r 1.41 × 10⁴ 비율로 3.50에서 3.70으로 증가 승/분² , 도 15b에 도시된 바와 같이. 150 nm WSe₂의 출력 전기 에너지 변화율 나노시트는 2.8nm WSe₂보다 훨씬 큽니다. 두꺼운 WSe₂를 나타내는 나노시트 나노시트는 전광학 튜닝에 더 나은 성능을 제공합니다.

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아 n의 모드 실수부 _에프 n의 함수로 _r 150nm WSe₂용 나노시트. 그리고 삽입된 것은 n이 있는 모드의 전기장 분포입니다. _에프 1.4559의. ㄴ n에 대한 출력 전기 에너지의 의존성 _r 150nm WSe₂용 나노시트

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아 n의 모드 실수부 _에프 대 n _r 4층 WSe₂용 나노시트. 그리고 삽입된 것은 n이 있는 모드의 전기장 분포입니다. _에프 1.4550619의. ㄴ n에 대한 출력 전기 에너지의 의존성 _r 4층 WSe₂용 나노시트

3D FDTD(Finite-Difference Time-Domain)(Lumerical FDTD Solution)는 WSe₂와 중첩된 MF의 출력 전력을 계산하는 데 사용되었습니다. . 출력 전력 계산을 위한 장치 구성의 개략도는 그림 16a에 나와 있습니다. 모델에서 WSe₂의 두께 층, MF의 직경 및 MF의 굴절률은 각각 150 nm, 9.5 μm 및 1.46으로 설정되었습니다. MF의 길이는 정성적 계산을 위해 10 μm로 설정하였다. x , y 그리고 z 방향은 10 nm의 격자 분해능을 갖습니다. x의 전기장 분포 -z y에서 평면 단면 절단 =0 μm은 그림 16b에 나와 있습니다. 계산된 투과율은 Fig. 17과 같다. Fig.17a와 같이 MF의 투과율은 n으로 감소한다. _r , 그리고 변동 경향은 COMSOL로 얻은 결과와 일치합니다. 손실은 n에 대해 10.80 및 10.94 dB/mm입니다. _r =2.44 및 n _r =2.64, 각각. 그런 다음 WSe₂의 굴절률로 1530에서 1570 nm까지의 파장에 대한 MF의 투과율을 계산했습니다. 2.64 + 0.2i로 고정된 나노시트. 도 17b에 도시된 바와 같이, 투과율은 파장에 따라 감소한다. 손실은 파장이 1530에서 1570 nm로 변경되었을 때 10.58에서 10.85 dB/mm로 다양했습니다.

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아 3D FDTD로 계산하기 위한 장치 구성의 개략도. ㄴ x의 전기장 분포 -z 평면 단면

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a의 함수로 계산된 전송 n _r 그리고 b 파장

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.

결론

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.