WSe2コーティングされたマイクロファイバーの光の全光学的調整

要約

二セレン化タングステン（WSe ₂ ）は、p-n接合、トランジスタ、ファイバーレーザー、スピントロニクス、太陽エネルギーの電気への変換など、さまざまな用途で大きな関心を集めています。 WSe ₂で光の全光学的調整を実演します -WSe ₂を使用したコーティングされたマイクロファイバー（MF）の広い吸収帯域幅と熱光学効果。透過光パワー（TOP）は、外部入射ポンプレーザー（405、532、および660 nm）を使用して調整できます。 405nmのポンプ光励起下での感度は0.30dB / mWです。 532 nmのポンプ光励起下で、約15.3 / 16.9msの立ち上がり/立ち下がり時間が達成されます。 TOPの調整メカニズムを調査するために理論シミュレーションが実行されます。このデバイスの利点は、製造が容易で、全光学制御、高感度、および高速応答です。提案された全光チューナブルデバイスは、全光回路、全光変調器、多次元チューナブル光デバイスなどに応用できる可能性があります。

はじめに

オプトエレクトロニクス、フォトニクス、およびマイクロエレクトロニクスは、現代の通信システムにおいて重要かつ不可欠です。マイクロまたはナノメートルスケールの光学部品で構成されるフォトニックデバイスは、小型化された構造、高速応答、および高感度を実現するために開発されました[1]。調整可能な全光デバイスは、光通信および信号処理に適用できます。ファイバ内の光制御光が報告されていますが、パフォーマンス、特に透過光パワー（TOP）の感度と応答時間を向上させることは依然として課題です。性能を向上させる良い方法の1つは、センサー[2]、オプトエレクトロニクスデバイス[3]、トランジスタ[4]、のアプリケーションで広く使用されている2次元（2D）遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）を使用することです。可飽和吸収体[5]、およびメモリデバイス[6]。全光変調は、グラフェン装飾マイクロファイバー（MF）[7]、グラフェン被覆MF [8]、およびステレオグラフェン-MF構造[9]で実現されています。 MFデバイスの調整は、MFが液晶[10]、ニオブ酸リチウム[11]、ポリマー[12]などのさまざまな材料に接続されている場合に達成されています。上下がグラフェンで覆われた全光学式チューナブルマイクロファイバーノット共振器（MKR）が実現されました[13]。 MFの滑らかで無損失の表面を異なる2D材料でコーティングすることにより、MFおよびMF共振器の光制御光機能が可能になります。 WS ₂での光の全光学的制御コーティングされたMKRは、バイオレットポンプ下での送信電力変動率が約0.4 dB / mW、応答時間が約0.1秒であると報告されています[14]。 SnS ₂でコーティングされたMKRの全光学式光制御光機能また、実現されています。紫色光に対するTOPの変動率は約0.22dB / mWであり、応答時間は約3.2msと高速です[15]。還元型酸化グラフェンで包まれたMFのTOPは、約0.21 dB / mWの変動率の紫色のポンプ光によって操作されました[16]。 MoSe ₂のすべての光制御光プロパティ -コーティングされたMFも調査されています。 TOP感度は紫色のポンプ光の下で約0.165dB / mWであり、過渡応答の立ち上がり時間は約0.6秒です[17]。 TOP感度と応答時間は、MFデバイスの重要な特性です。全光チューニングや光変調などのアプリケーションでは、TOP感度と応答時間の改善が必要です。

TMD材料の典型的な例として、二セレン化タングステン（WSe ₂ ）は大きな研究関心を集めており、電子およびオプトエレクトロニクスにとって潜在的に重要な構成要素です。 WSe ₂ ゼーベック係数が高く、熱伝導率が非常に低く、両極性があるため、フレキシブルエレクトロニクスの魅力的な候補になります[18、19]。たとえば、p-n接合の電気的調整は、WSe ₂の両極性に基づいて実現されています。 [20]。 WSe ₂における第二高調波発生の電気的制御単層トランジスタは、WSe ₂で強い励起子帯電効果を使用して報告されています。 [21]。 WSe ₂ 太陽エネルギーを電気に変換する際に利用されている可視および近赤外領域で大きな吸収係数を持っています[22]。硫化物と比較して、セレン化物はより安定しており、周囲条件での酸化に対して耐性があります[23]。さらに、WSe ₂ 500 cm ² の高い正孔移動度を提供します V ^-1 s ^-1 、MoS ₂よりもはるかに高い [24]。 WSe ₂のこのプロパティを使用する、高移動度のp型およびn型電界効果トランジスタが単層WSe ₂で報告されています [25]。単層WSe ₂ は、強いフォトルミネッセンスを伴う直接バンドギャップを示しています[26]。 WSe ₂の非線形可飽和吸収特性ファイバーレーザーの可飽和吸収体として適用されています[27]。 WSe ₂ WSe ₂における光の全光学的制御の大きな可能性を示していますベースのファイバーデバイス。

光MFは、直径が数μmから10μmを超える光ファイバーテーパーです。 MFは、熱下でファイバーを引き抜く単純な火炎加熱テーパーによって製造されます。その結果、バイコニカルテーパーが形成され、誘導光と周囲との相互作用および他の繊維化されたコンポーネントへの接続のためのプラットフォームを提供します[28]。 MFプロファイルは、製造プロセスでの引っ張り速度と時間を制御することにより、さまざまなアプリケーションに合わせて微調整できます。 MFには、大きなエバネッセント場、構成可能性、低い光損失、厳密な光閉じ込め、および卓越した機械的柔軟性という利点があります[29]。 MFの厳密な光閉じ込めは、小さなフットプリントの光回路と低しきい値の光非線形効果への有望なアプローチを提供します。 MFの強いエバネッセント場に基づいて、誘導光と周囲の間の強力で迅速な相互作用を得ることができます。 MFのこの特性は、MFに内接するファイバグレーティング[30]、表面機能化MF [31]、マッハツェンダー干渉計[32、33]など、さまざまな構成の光センシングに利用されています。 MFが提供する強力な光と物質の相互作用は、全光変調器、超高速ファイバーレーザー[34、35]、およびチューニングと光制御光機能を実現するためにも適用されています。

この論文では、WSe ₂の広い吸収帯域幅と熱光学効果を採用しています。 WSe ₂で光の全光学的調整を実現するコーティングされたMF。全光学的チューニングを実現するために、波長405、532、および660nmの外部ポンプ光を使用してMFを照射します。外部ポンプライトとWSe ₂の間の相互作用を採用することによって、効果的なインデックス変更が実現され、その後、出力電力の変動が発生します。測定されたTOP感度は、405nmのポンプ光励起下で0.30dB / mWです。外部ポンプのレーザー誘起温度変化とデバイスの応答を調査します。 TOPの調整メカニズムを検証するために理論シミュレーションが実行されます。

メソッド

WSe ₂の濃度分散液は1mg / mlであり、これは液体剥離法によって得られた。 WSe ₂を取得するには均一に分布したナノシート、WSe ₂の超音波処理〜30分間の分散を行った。 WSe ₂を特徴づけるためにナノシート、ラマンおよびUV-VIS吸収スペクトルを測定しました。 WSe ₂のラマンスペクトル 488nmレーザーで励起されたナノシートを図1aに示します。 WSe ₂ ナノシートは、252.2 cm ^–1 付近に1つの強い振動モードしか表示しません、これはE _2gの縮退の結果です。およびA _1g モード。追加のラマンピークは5–11 cm ^-1 に現れます WSe ₂の場合フレークは4層よりも薄い[36]。 WSe ₂の吸収スペクトル UV-VIS分光光度計（UV-2600、島津製作所）で測定したナノシートを図1bに示します。 300〜700 nmの波長範囲では、WSe ₂ ナノシートには吸収性があります。 400から700nmまで、吸収は波長とともに減少します。図1bに示すように、405、532、660nmの3つの波長での吸光度を比較します。

MFは「フレームブラッシング」技術を使用して製造されました。 MFは、コーニング社の標準的なシングルモードファイバーを約0.2 mm / sの速度で引き抜き、炎で加熱して得られました。 WSe ₂で光の全光学制御を実現するために -コーティングされたMF、MFの適切なウエストが必要です。 MFウエストを小さくすると、ライトとWSe ₂の間の相互作用が強くなります。、ただし、損失が大きいため、TOPが弱すぎて検出できない場合があります。図2aは、均一なウエスト領域で直径が約9.5μmの製造されたMFを示しています。図2aの挿入図は、入力に650nmのレーザーを発射したMFの顕微鏡画像です。 MFの直径は、光学顕微鏡（Zeiss Axio Scope A1顕微鏡）を使用して測定しました。図2bに示すように、MFのウエスト領域の長さは約6mm、直径は約9.5μmです。 MFの全長は約25mmです。

次のステップは、WSe ₂の堆積でした。 MFへのナノシート。堆積前に、MFはガラスとUV接着剤（Loctite 352、Henkel Loctite Asia Pacific）で作られたガラス盆地（20mm×5mm×1mm）に固定されました。その後、WSe ₂ ピペットを使用して分散液をMFに滴下した。堆積プロセス中のMFのTOPは、1550 nm分散フィードバック（DFB）レーザーを使用して監視されました。図3に示すように、堆積前のTOPは約-10dBmです。堆積の5分後、TOPは-43dBmまで急激に減少します。次に、TOPは14分後に-35dBmに増加します。 TOPは− 37 dBmで安定し、堆積が完了したことを示します。

WSe ₂でコーティングされたMFの走査型電子顕微鏡（SEM）画像ナノシートを図4に示します。図4aは、WSe ₂を示しています。ナノシートは直径約9.5μmのMFに沈殿し、その拡大画像を図4aの挿入図に示します。 WSe ₂でコーティングされたMFの断面図ナノシートを図4bに示します。図4bの挿入図は、堆積したWSe ₂の厚さを示しています。ナノシートは約150nmです。

WSe ₂の吸光度を調査するにはフィルム、WSe ₂のライトガイドコーティングされたMFは、COMSOLの有限要素法によってシミュレートされました。モデルでは、150 nm WSe ₂ 層は〜9.5μmMFに巻き付けられます。 MFとWSe ₂の屈折率ナノシートはそれぞれ1.46と2.64+ 0.2i [37]です。計算ウィンドウは20μm×20μmで、メッシュサイズは50nmです。波長は1550nmに固定されました。 MFとWSe ₂のモードフィールド分布コーティングされたMFが計算されました。図5aは、1550nmでの2Dモード分布を示しています。 WSe ₂を使用したMFのモードの実効インデックス図5aに対応するレイヤーは1.4567–2.04×10 ^-3 i、WSe ₂を示しますの吸収。裸のMFとWSe ₂の放射状電界分布図5aの白い破線に沿ってコーティングされたMFが図5bにプロットされています。放射状の場の分布は、〜0μmで同じピーク強度を持っています。図5bの拡大画像では、WSe ₂のフィールド分布コーティングされたMFは、インデックスの不連続性の結果として急激な変動を示します。

WSe ₂での光の全光学的制御コーティングされたMFは、図6に示すような実験セットアップを使用して特性評価されます。1550nmDFBレーザー（SOF–155–D DFBレーザーソース、ACCELINK）がデバイスの入力に接続され、出力は光パワーメータ。外部ポンプには、405 nm、532 nm、および660nmのレーザーが使用されます。 WSe ₂でコーティングされたMF サンプルの約10cm上に配置されたレーザーによって照射されます。まず、WSe ₂のないMFのTOP この実験設定を使用して測定されます。

結果と考察

図7a–cは、それぞれ405 nm、532 nm、および660nmレーザーのさまざまなポンプパワーの相対パワー変動を示しています。図7aに示すように、裸のMFのTOPの変化は、405nmのレーザー照射下で0.03dB未満です。 532nmおよび660nmのレーザーでも同様の結果が得られます。 TOPの変動は、532nmレーザーと660nmレーザーでそれぞれ0.02dBと0.03dBよりも小さくなっています。

次に、WSe ₂でコーティングされたMFのTOP ナノシートは、さまざまなポンプ出力で測定されます。実験は、0〜13.3mWの範囲の405nm（バイオレット）レーザー出力（LSR405NL、Lasever Inc.）を使用して実行されます。図8aは、WSe ₂でコーティングされたMFの相対的な電力変動をプロットしたものです。 405nmのレーザー照射下でのナノシート。 TOPはポンプ出力とともに増加します。 405nmレーザーのポンプパワーが0から13.3mWに増加すると、TOPの変動は4.2dBになります。 405mのレーザー出力が13.3から0mWに減少すると、TOPの変動も4.2dBになります。 TOPと405nmのレーザー出力の関係を分析するために、図8aのポンプ出力のさまざまなステップのTOPの平均値を抽出します。ポンプ光パワーによるTOPの変化を図8bに示します。ポンプパワーに対するTOP変動の感度は、線形フィッティング曲線の傾きによって決まります。バイオレットパワーの増加とバイオレットパワーの減少の両方で0.30dB / mWの感度が得られ、光の全光学制御が優れた再現性と安定性を備えていることを確認します。 Wse ₂でコーティングされたMFの光の全光学制御ナノシートは、532nmおよび660nmのレーザーで分析されます。図8cは、532 nm（緑色）のレーザー出力が0から13.3mWに増加したときのTOPの変化を示しています。 TOPは緑色のレーザー出力で変化します。相対的な出力変動は、ポンプ出力の増加（0から13.3 mW）とポンプ出力の減少（13.3から0 mW）の両方で3.2dBです。さまざまなポンプ光パワーのTOP変動を図8dにプロットします。感度は、増加プロセスと減少プロセスの両方で0.23 dB / mWです。 660 nm（赤）のレーザーポンプでも同様の結果が得られます。図8eに示すように、赤色レーザーの出力が0から17.0 mWに増加すると、TOPは2.9 dB増加し、出力の変化は減少プロセスでも同じです。赤色レーザー照明下での感度は図8fから得られ、ポンプパワーの増加（0から17.0 mW）とポンプパワーの減少（17.0から0 mW）の両方で0.16 dB / mWです。全光学的チューニングの図8b、d、およびfでは、直線性が異なります。電力の増加プロセス中、 R ² 値は、紫、緑、赤のレーザーでそれぞれ0.907、0.976、0.984です。 R ² 0.915、0.977、および0.991の値は、それぞれ紫、緑、および赤のレーザーのパワーの減少プロセスで得られます。ここでは、紫色のレーザーの方が感度が高くなりますが、赤色のレーザーの直線性は高くなります。ただし、MoSe _2-での光の全光学制御の場合コーティングされたMFでは、980nmの光は405nmの光よりも優れた直線性と感度を備えています[17]。したがって、さまざまなポンプレーザーの下でのさまざまなデバイスの直線性と感度の間に一貫した関係はありません。直線性と感度は、2D材料、蒸着方法、ファイバー構造、およびポンプ光の安定性に関連していると考えられます。

WSe ₂でコーティングされたMFの温度に注意する必要がありますレーザー照射下で変化します。ポンプ出力が変化すると、温度は熱電対によって記録されます。図9aは、さまざまなバイオレットポンプ出力の温度変化を示しています。温度はポンプ出力とともに上昇します。バイオレットポンプの出力が0から13.3mWに増加すると、温度は21.6°Cから28.1°Cに上昇します。バイオレットポンプの出力が13.3から0mWに低下すると、温度は28.1から22.0°Cに低下します。緑と赤のポンプレーザーの温度変化も監視されます。図9bに示すように、0〜13.3 mWの範囲で緑色レーザー出力を増減すると、それぞれ6.7°Cと6.1°Cの温度変化が発生する可能性があります。図9cは、同じ変化傾向を持つ赤色レーザーポンプの下での温度変化を示しています。赤いポンプ出力が0から17.0mWの間で変化すると、温度は7.1°Cと7.0°C変化します。ポンプ出力の関数としての温度を図10にプロットします。図10aに示すように、温度変化の線形フィットにより、バイオレットポンプ出力の増減に対する感度が0.46°C / mWおよび0.44°C / mWになります。、それぞれ。図10bは、グリーンポンプ出力の増減に対するそれぞれ0.44°C / mWと0.41°C / mWの温度感度を示しています。レッドポンプパワーの増減プロセスでは、温度感度は0.41°C / mWと測定されます。結果は、WSe ₂を示しています全光学制御および熱光学調整のための効率的でコンパクトなヒーターと見なすことができます[38]。デバイスの性能に対する環境温度の影響を調査するために、WSe ₂でコーティングされたMF ナノシートは、TOP測定のためにセラミックホットプレート（CHP–250DF、AS ONE）に配置されます。図11aに示すように、チャンバー温度を22から30°Cに変更した場合、TOPの変動は0.03dB未満です。このデバイスが環境温度の影響を受けないことを確認する結果。図11aに示すように、チャンバー温度を22から30°Cに変更した場合、TOPの変動は0.03dB未満です。このデバイスが環境温度の影響を受けないことを確認する結果。このデバイスは、高温で全光学的チューニングに使用される場合、比較的安定しています。図11bに示すように、温度を70°Cから100°Cまでゆっくりと上げると、TOPの変動は0.55dB未満になります。

WSe ₂でコーティングされたMFの過渡応答ナノシートは、図12に示す実験装置を使用して測定されます。1550nmレーザーがMFの入力に接続されています。紫、緑、赤のレーザーの出力は、信号発生器（AFG 3102、Tektronix）によって変調されます。信号発生器の出力は方形波です。光検出器（モデル1811、ニューフォーカス）とオシロスコープ（DS1052E、RIGOL）を使用して、MFの出力を監視します。図13a〜cは、それぞれ紫、緑、赤のレーザー照明下でオシロスコープによって監視された応答を示しています。図13aに示すように、応答時間測定のバイオレットポンプパワーは16.8、20.3、および22.8mWです。立ち上がり時間と立ち下がり時間は、バイオレットレーザーでそれぞれ17.9ミリ秒と18.4ミリ秒と測定されています。緑色レーザー照明の場合、図13bに示すように、ポンプ出力は8.3、13.7、および20.0mWです。立ち上がり時間と立ち下がり時間は、緑色レーザーでそれぞれ15.3ミリ秒と16.9ミリ秒と測定されています。図13cに示すように、ポンプ出力が10.7、16.8、および20.5 mWの赤色レーザー照明下では、立ち上がり時間と立ち下がり時間はそれぞれ16.9および18.3msです。

TOPのチューニング感度は、紫、緑、赤のポンプレーザーで異なります。これは、図1bに示すように、吸収が短波長ではるかに強いためです。 TOPの全光学的制御は、WSe ₂を使用したMFでの熱光学効果と光子生成キャリアの組み合わせによるものです。。外部ポンプライトとWSe ₂の間の相互作用 WSe ₂の効果的なインデックス変更を誘導します。 WSe ₂ ナノシートはポンプレーザー光を吸収します。 WSe ₂を使用したMFの温度図1および2に示すように、ポンプ出力とともに増加します。 9および10。屈折率の実数部（ n _r ）WSe ₂の WSe ₂を使用したMFの温度が低下すると低下します増加します[39]。 n _r また、WSe ₂の導電率に関連するキャリア濃度の増加により減少します。ナノシート[40]。その結果、実効屈折率（ n _eff ）WSe ₂でコーティングされたMFのガイドモードの外部レーザー照明によって変化します。光子によって生成されたキャリアは、WSe ₂のインデックス変動にもつながります。 n の変更 _eff [38]。したがって、TOPは外部ポンプレーザーで変更できます。有限要素法を使用して、シミュレーションを実行し、TOPチューニングのメカニズムを調査します。図14aに示すように、 n の実数部 _eff n とともに増加します _r 。 n の実数 _eff n で1.4559から1.4567に増加 _r 2.44から2.64まで変化します[41、42]。 n のモードの電界分布 _eff 1.4559の値は、図14aの挿入図に示されています。 n のバリエーション _r 異なるモードの電界分布を提供します。断面全体の電界分布を積分して、出力電気エネルギーを計算します。図14bに示すように、出力電気エネルギーは n とともに減少します。 _r 2.44から2.64まで、1.76×10 ⁷ の割合で W/m。² したがって、出力電力は外部ポンプ電力とともに増加します。シミュレーション結果は実験結果とよく一致しています。 WSe ₂の影響を調査するためデバイス性能の層数、シミュレーションはCOMSOLの有限要素法によって実行されました。 4層WSe ₂の厚さナノシートは2.8nmであり、WSe ₂の対応する屈折率は3.7+ 0.2i [43]です。 n の実数部の線形フィット _eff 対 n _r 図15aに示します。 n の実数 _eff n とともに増加します _r 3.50から3.70まで変化したとき。 n のモードの電界分布 _eff 1.4550619の値は、円対称である図15aの挿入図に示されています。比較すると、図14aのモードの電界分布は、光が150 nm WSe ₂によって吸収されるため非対称です。ナノシート。 n の場合、出力電気エネルギーは減少します _r 1.41×10 ⁴ の割合で3.50から3.70に増加します W / m ² 、図15bに示すように。 150 nmWSe ₂の出力電気エネルギー変動率ナノシートは2.8nm WSe ₂よりもはるかに大きいナノシート、厚いWSe ₂を示します nanosheetは、全光学的チューニングのパフォーマンスを向上させます。

3D有限差分時間領域（FDTD）（Lumerical FDTD Solution）を使用して、WSe ₂でオーバーレイされたMFの出力パワーを計算しました。。出力電力計算用のデバイス構成の概略図を図16aに示します。モデルでは、WSe ₂の厚さ層、MFの直径、およびMFの屈折率は、それぞれ150 nm、9.5μm、および1.46に設定されました。 MFの長さは定性計算のために10μmに設定されています。 x 、 y および z 方向のグリッド解像度は10nmです。 x の電界分布 - z y での平面断面カット =0 μmを図16bに示します。計算された透過率を図17に示します。図17aに示すように、MFの透過率は n とともに減少します。 _r 、および変動傾向は、COMSOLで得られた結果と一致しています。 n の損失は10.80および10.94dB / mmです。 _r =2.44および n _r =2.64、それぞれ。次に、1530〜1570 nmの波長のMFの透過率を、WSe ₂の屈折率で計算しました。 2.64 + 0.2iに固定されたナノシート。図17bに示すように、透過率は波長とともに減少します。波長が1530から1570nmに変化したとき、損失は10.58から10.85 dB / mmまで変化しました。

表1に示すように、光制御光デバイスのパフォーマンスを、さまざまなポンプ光波長でのTOP感度と応答時間の観点から比較します。ここで示す光構造の全光学制御は、MF、MKRと比較して感度が高くなります。、およびさまざまな材料と組み合わせたサイドポリッシュファイバー（SPF）。 WSe ₂でコーティングされたMF WS ₂と組み合わせたMKRなどの全光学チューニング構造よりも応答が高速です。、MFをMoSe ₂でオーバーレイ、液晶と組み合わせたSPF、およびWS ₂で覆われたMF 。さまざまな要因が、WSe ₂でオーバーレイされたMFのTOP感度の向上と応答時間の短縮に貢献しています。。まず、WSe ₂ 可視光で広い吸収帯域幅を提供し、全光学的チューニングのための熱光学効果を提供します。第二に、MF構造は、光と物質の相互作用を強化するために最適化されています。第三に、WSe ₂ ナノシートコーティング法により、正確なナノシートの厚さ制御と均一な材料堆積が可能になります。

<図>

結論

WSe ₂で光の全光学的調整を作成し、実証しました。 -外部ポンプライトとWSe ₂間の相互作用に基づくコーティングされたMF 。ポンプ光（405、532、および660 nm）の外部照射により、WSe ₂ の広い吸収帯域幅と熱光学効果により、効果的な屈折率の変化とそれに続く出力電力の変動が約束されます。それぞれ0.30dB / mWと15.3msの感度と立ち下がり時間を得ることができます。 TOPのチューニングメカニズムをシミュレーションで調べます。 WSe ₂でカバーされるMFのパフォーマンス TOP感度や応答時間などは、単層薄膜、最新のナノファブリケーション法、および最適化されたMF寸法を使用することでさらに改善できます。この作業は、WSe ₂を促進することが期待されています全光変調器、多次元的に調整可能な光デバイスなどにおけるの現実的なアプリケーション。