UMO-2011/01/B/ST7/06234

Transkrypt

1 Załącznik nr 4 do sprawozdania merytorycznego z realizacji projektu badawczego Szybka nieliniowość fotorefrakcyjna w światłowodach półprzewodnikowych do zastosowań w elementach optoelektroniki zintegrowanej i telekomunikacji optycznej Nr UMO-2011/01/B/ST7/06234 Opracowanie metody wprowadzania światła do struktury falowodów PMQW, ocena sprawności wprowadzania światła metodą end face coupling oraz przygotowanie stanowiska badawczego Wykonawcy: Andrzej Ziółkowski Błażej Jabłoński Szczecin

2 1. Opis przeprowadzonych prac badawczych W ramach przeprowadzonych prac badawczych przebadano próbki wytworzone w trzech seriach. Zgodnie z informacjami przedstawionymi w Załączniku nr 1 do sprawozdania merytorycznego. Są to struktury nr 1, 2, 4 oraz 5. Przeprowadzone prace podzielić można na dwa etapy: w pierwszej kolejności badane były właściwości elektryczne wytworzonych materiałów. Badania w tym zakresie polegały na pomiarach charakterystyk prądowonapięciowych w warunkach zaciemnienia oraz przy oświetleniu promieniowaniem laserowym o długości fali poniżej progu absorpcji. Badania te dotyczyły struktur 1 i 2. w drugiej kolejności zbudowano układ eksperymentalny mający służyć do sprzęgania światła lasera z wytworzonymi falowodami. Koncepcja budowy stanowiska laboratoryjnego oparta została na wykorzystaniu podejścia o nazwie end face coupling, czyli sprzęgania przez płaszczyzną wejściową falowodu. Niżej zaprezentowano zarówno charakterystykę układu badawczego jak i wstępne wyniki zrealizowanych za jego pomocą eksperymentów. Badania te dotyczyły struktur 1, 2, 4 oraz Pomiary elektryczne wytworzonych próbek Struktury wytworzone w ramach serii pierwszej i drugiej (o numerach 1 oraz 2) nie wykazywały wystarczającej do uzyskania efektu fotorefrakcyjnego ciemnej rezystywności. Najprawdopodobniej zastosowane parametry implantacji jonami nie były wystarczające do uzyskania relatywnie jednorodnego rozkładu defektów na całej głębokości wytworzonych próbek. Większość ściągniętych charakterystyk wykazywała silną nieliniowość, najczęściej już przy napięciu kilkunastu Voltów następował bardzo silny wzrost prądu. W związku z tym pomiary fotoprądu nie były konieczne. Struktury uznano za niewystarczająco izolacyjne. Niżej przedstawione zostały wybrane charakterystyki prądowo-napięciowe. W niektórych przypadkach ściągniecie pełnej charakterystyki nie było możliwe z powodu przebicia struktury, następującego już przy kilkunastu voltach przyłożonego napięcia. U (V) I ( A) Próbka A3, R = 98 kω Ch-ka prądowo napięciowa, Próbka A3 2

3 U (V) I (ua) Próbka A2 U (V) I (ua) Próbka C1 U (V) I (ua) Ch-ka prądowo napięciowa, Próbka A2, próbka uległa spaleniu przy przyłożonym napięciu 20 V Ch-ka prądowo napięciowa, Próbka C1 Próbka C5 Ch-ka prądowo napięciowa, Próbka C5 3

4 U (V) I (ua) Próbka D4 Ch-ka prądowo napięciowa, Próbka D4. U (V) I (ua) Próbka C6 Ch-ka prądowo napięciowa, Próbka C6. 4

5 3. Charakterystyka układu pomiarowego Jak wspomniano wcześniej zdecydowano się na sprzężenie światła lasera z wytworzonymi strukturami falowodowymi za pomocą metody sprzęgania przez płaszczyznę (krawędź) wejściową falowodu (metodą end face coupling ). W tym celu zbudowano układ laboratoryjny współpracujący z laserem tytanowo-szafirowym generującym promieniowanie w zakresie od 855 nm do 940 nm w trybie pracy ciągłej, bez konieczności zmiany optyki we wspomnianym zakresie spektralnym. Układ eksperymentalny przedstawiono na Rys. 1 poniżej. Rys. 1. Schemat układu pomiarowego. Użyto następujących oznaczeń: PF półfalówka, P polaryzator, KP kostka światłodzieląca polaryzująca, S soczewka sferyczna, Sc - soczewka cylindryczna, OM obiektyw mikroskopowy, T - Tłumik (pochłaniacz optyczny), BE beam expander (poszerzacz wiązki), D diafragma. Wiązka lasera po odpowiednim osłabieniu za pomocą regulowanego tłumika świetlnego wymagała odpowiedniego ukształtowania przestrzennego. W tym celu zbudowano filtr przestrzenny z odpowiednio dobraną, wytrzymującą duże natężenia światła pinholą. Rozkład natężenia światła w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku propagacji wiązki przedstawiono na rysunku 2 poniżej. Dodatkowo na rysunku przedstawione zostały profile pionowy i poziomy rozkładów natężenia oraz dane pomiarowe charakteryzujące wiązkę. Pomiary wykonano za pomocą beam-profilera firmy Newport. Po odfiltrowaniu wyższych częstotliwości przestrzennych za pomocą filtra przestrzennego wiązka uzyskała bardziej symetryczne rozkłady w kierunku pionowym i poziomym. Mapę natężenia światła ściągnięta po przejściu przez filtr przestrzenny przedstawiono na rysunku 3. Pomiary zarejestrowano w odległości 30 cm od układu filtra. 5

6 Rys. 2. Rozkład poprzeczny natężenia światła wiązki laserowej po osłabieniu za pomocą tłumika. Rys. 3. Rozkład poprzeczny natężenia światła wiązki laserowej po osłabieniu za pomocą tłumika oraz po przejściu przez filtr przestrzenny. Pomiar wykonany w odległości 30 cm od filtra. Wiązkę następnie spolaryzowano poziomo oraz poszerzono za pomocą regulowanego beam expandera. Dzięki relatywnie dużym rozmiarom propagującej się quasi-równolegle wiązki możliwe jest uzyskanie maksymalnie małej plamki po skupieniu wiązki za pomocą obiektywu mikroskopowego. Poszerzona i spolaryzowana wiązka przedstawiona została na Rys. 4. 6

7 Pomiar został wykonany dla ustawień beam ekspandera dającego wiązkę o rozmiarach mniej więcej kołową o średnicy około 2.2 mm. Rys. 4. Rozkład poszerzonej i spolaryzowanej wiązki o średnicy około 2.2 mm. W następnym kroku próbowano zogniskować tak wytworzoną wiązkę aby sprawdzić jak małą średnicę po zogniskowaniu można uzyskać za pomocą znajdujących się na stanie laboratorium obiektywów mikroskopowych. Uzyskane wyniki uznano za zadowalające. Ogniskowanie pozwoliło uzyskać wiązkę o średnicy około 1.5 mikrona. Aby dokonać pomiaru średnicy zogniskowanej wiązki wykorzystano układ mikro-beamprofilera firmy Duma Optoelectronics (Rys. 5 i 6). Ponieważ wiązka na Rys. 5 jest słabo widoczna, Rysunek 6 przedstawia ją operacji stukrotnego powiększenia. 7

8 Rys. 5. Wiązka po zogniskowaniu. Wymiary 1.32 x 1.55 um, wiązki przy pomiarze zgodnym z definicja wiązki gaussowskiej. Rys. 6. Wiązka po zogniskowaniu i 100-krotnym powiększeniu. Wymiary 1.34 x 1.15 um, wiązki przy pomiarze zgodnym z definicja wiązki gaussowskiej. 8

9 4. Wstępne wyniki operacji sprzęgania światła z wytworzonymi falowodami. Pierwsze próby sprzęgania światła z wytworzonymi falowodami przeprowadzono próbując wprowadzić wiązkę kołową przedstawioną na Rys. 5 oraz 6. Próby te przeprowadzono z falowodami o numerach struktur 1 oraz 2. Nie przyniosły one pozytywnych rezultatów. W związku z powyższym zdecydowano się rozbudować układ przez zastosowanie teleskopu cylindrycznego formującego wiązkę w postaci elipsy. Został on przedstawiony na rysunku 1. Ponownie przeprowadzone próby nie przyniosły rezultatu. Pozytywne wyniki uzyskano dopiero wówczas kiedy rozbudowana wersja układu wykorzystana została do sprzęgania światła z falowodami o numerach struktur 4 oraz 5. Niżej przedstawiono uformowaną eliptycznie wiązkę (Rysunek 7) oraz wstępne wyniki pomiarów światła prowadzonego w strukturach falowodowych Rysunki 8 i 9. Rys. 7. Wiązka eliptyczna uformowana za pomocą teleskopu cylindrycznego. Wymiary wiązki x 2.79 um. W zaprezentowanych wyżej wynikach, użyto promieniowania o długości fali powyżej krawędzi absorpcji arsenku galu. Podczas operacji wprowadzania światła do falowodu ważna jest możliwość przestrajania długości fali. Stanowi ona istotne ułatwienie tej operacji, gdyż umożliwia weryfikację otrzymanych obrazów. Poniżej krawędzi absorpcji rozkład uzyskany w zaprojektowanych strukturach powinien znacznie różnić się od tego uzyskanego dla fal o długościach powyżej krawędzi absorpcji poprzez fakt możliwości obserwacji światła podłożowego. Z przeprowadzonych badań wynika, że próg absorpcji arsenku galu, z którego wykonano podłoże naszych struktur ulokowany jest w okolicach 900 nm. Przykładowe 9

10 obrazy światła prowadzonego w strukturach o numerach 4 oraz 5 przedstawiono na rysunkach 8 i 9. Rysunek 8 przedstawia światło o długości fali (poniżej 900 nm), dla której transparentna jest jedynie warstwa prowadząca wykonana na bazie studni kwantowych. Rysunek 9 natomiast przedstawia światło zeskanowane z powierzchni struktury, przy długości powyżej 900 nm, dla której transparentne jest również podłoże. Rys. 8. Światło zeskanowane z płaszczyzny wyjściowej falowodu dla długości fali 890 nm (poniżej krawędzi absorpcji podłoża z arsenku galu). Rys. 9. Światło zeskanowane z płaszczyzny wyjściowej falowodu dla długości fali 910 nm (powyżej krawędzi absorpcji podłoża z arsenku galu). 5. Podsumowanie Wśród zaprezentowanych wyżej wyników przedstawiono pomiary elektryczne oraz optyczne przeprowadzone na strukturach falowodowych o numerach 1, 2, 4, 5. Stwierdzono, że struktury 1 o raz 2 nie posiadają odpowiednich właściwości elektrycznych (zbyt wysoka rezystywność ciemna). Wszystkie struktury przebadano pod kątem prowadzenia w nich światła. Z przeprowadzonych w opartym na technice end face coupling układzie badawczym, wnioskować można, że struktury 4 oraz 5 posiadają właściwości predysponujące je do prowadzenia światła, co zademonstrowano za pomocą odpowiednich skanów przedstawiających rozkłady mocy optycznej w płaszczyźnie wyjściowej falowodów. 10