UMO-2011/01/B/ST7/06234

Transkrypt

1 Załącznik nr 7 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 Zależność zmian współczynnika absorpcji światła propagującego się w falowodzie od długości fali, natężenia i kierunku zewnętrznego pola elektrycznego oraz polaryzacji Wykonawcy: mgr inż. Eliza Miśkiewicz dr inż. Andrzej Ziółkowski mgr. Inż. Błażej Jabłoński Szczecin

2 1. Opis badanych struktur - fotorefrakcyjne wielokrotne studnie kwantowe MQW W pracy badano próbki będące fotorefrakcyjnymi półprzewodnikowymi strukturami wielokrotnych studni kwantowych w układzie materiałowym GaAs-Al 0,3 Ga 0,7 As. Przedmiotowe heterostruktury wykonane zostały w Instytucie Technologii Materiałów Elektronicznych (ITME) w Warszawie techniką metaloorganicznego nanoszenia z fazy gazowej (ang. metal-organic chemical vapour deposition MOCVD). Są to tzw. heterostruktury typu I, tzn. warstwa GaAs stanowi studnię potencjału jednocześnie dla elektronów i dziur. Głębokość studni określona jest przez przesunięcie krawędzi pasm na granicy materiałów (ang. band offset ). W celu wytworzenia fotorefrakcyjnych MQW próbki zostały zbombardowane strumieniem wysokoenergetycznych protonów. 2. Układ pomiarowy Rys.1 Schemat układu do pomiaru absorpcji i elektroabsorpcji, gdzie: PF0 półfalówka, KP kostka polaryzacyjna, PD1 płytka światło dzieląca, S1 i S2 soczewki sferyczne, P1 polaryzator, BE beam expander, D diafragma, Sc1 i Sc2 soczewki cylindryczne, OM1 i OM2 obiektywy mikroskopowe, CCD detektor optyczny z matrycą CCD 3. Spis urządzeń: a. Laser: i. Pompa: Coherent Verdi V18 (DPSS), długość fali 532nm ii. Coherent MBR 110, tytanowo-szafirowy, dlugość fali z zakresu nm b. Zasilacz wysokonapięciowy SRS PS350/5000V-25W,, c. Detektor kamera CCD Thorlabs BC106N-VIS/M, d. Mierniki mocy optycznej Thorlabs PM320 E, e. Multimetr Metex M-380, f. Spektrometr światłowodowy Melles Griot MGSpec-3648-USB2. Rezonanse ekscytonowe dla 823 nm (lekkie dziury) i dla 833nm (ciężkie dziury). W obecności pola elektrycznego następuje obniżenie i poszerzenie pików ekscytonowych oraz przesuniecie widma w stronę dłuższych fal o (0,5 1) nm. W przypadku znacznych natężeń światła pojawia się zależność widma absorpcji od natężenia światła i temperatury. 2

3 Zależność zmian absorpcji od natężenia pola elektrycznego Próbka numer F5D-1T-S4 (2) Rys. 2. Zależność zmiany współczynnika absorpcji od napięcia przyłożonego do elektrod. Odległość między elektrodami 1 mm, kierunek pola elektrycznego równoległy do kierunku ścięcia minor flat (0-11), długość fali 867 nm (A. Ziółkowski, ) Rys. 3. Ten sam falowód co na rys.2., ale przeciwny zwrot natężenia pola elektrycznego, długość fali 860 nm (A. Ziółkowski, ). 3

4 Zależność zmian absorpcji od mocy wiązki światła w falowodzie Próbka 2424A_E1_T4_1, implantacje z dawką 1x10 12 cm -2 Rys.4. Struktura 12A, zależność zmiany współczynnika absorpcji od napięcia przyłożonego do elektrod dla różnych wartości mocy prowadzonego światła. Odległość między elektrodami 1 mm, pole elektryczne równoległe do kierunku ścięcia major flat (0-1-1), długość fali 865 nm Próbka 2424A_E1_T4_1, implantacje z dawką 1x10 12 cm -2 Rys. 5. Struktura 12A, zależność mocy wyjściowej oraz prądu płynącego między elektrodami od czasu dla napięcia 500V włączanego w chwili t = 0. Pomiary dla trzech wartości mocy wyjściowej otrzymywanej przy zerowym napięciu P 0 = 0,1 W, 0,2 W i 0,4 W. 4

5 Wpływ kierunku i zwrotu pola elektrycznego w stosunku do osi krystalograficznych Falowód F5D_1L_S6, implantacje z dawką 2x10 12 cm -2 Rys 6. Zmiana współczynnika absorpcji w zależności od wartości natężenia pola dla dwóch różnych zwrotów. Struktura 5D, kierunek pola elektrycznego równoległy do kierunku ścięcia minor flat (0-11), długość fali 867,5 nm. Falowód F5D_1T_S6_2, implantacje z dawką 2x10 12 cm -2 Rys.7. Zmiana współczynnika absorpcji w zależności od wartości natężenia pola dla dwóch różnych zwrotów. Struktura 5D, kierunek pola elektrycznego równoległy do kierunku ścięcia major flat (0-1-1), długość fali 867,5 nm. 5

6 Falowód 2424A_E1_T4_1, implantacje z dawką 1x10 12 cm -2 Rys.8. Zmiany współczynnika absorpcji w zależności od wartości natężenia pola elektrycznego dla dwóch znaków napięcia. Struktura 12A, kierunek pola elektrycznego równoległy do kierunku ścięcia major flat (0-1-1), długość fali 865 nm, moc wyjściowa przy braku napięcia P 0 = 0,05 W. Próbka 2624C_E1_L4_4 - implantacje z dawką 2x10 12 cm -2 Rys. 9. Zmiany współczynnika absorpcji w zależności od wartości natężenia pola elektrycznego dla dwóch znaków napięcia. Struktura 12C, kierunek pola elektrycznego równoległy do kierunku ścięcia minor flat (0-11), długość fali 867,5 nm. 6

7 Wpływ długości fali na zależność absorpcji od natężenia pola elektrycznego Falowód 2424A_E1_T4_1, implantacje z dawką 1x10 12 cm -2 Rys.10. Zmiany współczynnika absorpcji w zależności od wartości natężenia pola elektrycznego dla dwóch długości fali. Struktura 12A, kierunek pola elektrycznego równoległy do kierunku ścięcia major flat (0-1-1). Rys. 11. Obraz wiązki wychodzącej ze światłowodu 7

8 I(x) h=12,5 pix=1 a) I(x) h=13,4 pix=5 b) I(x) h=14,0 pix=8 c) I(y) d) Rys. 12. Przykładowe rozkłady poprzeczne natężenia światła w wiązce wychodzącej z falowodu. Struktura 12A, falowód 2624A_E1_T4, = 880 nm 8

9 Rys. 13. Zależność mocy wiązki wychodzącej z falowodu od natężenia pola elektrycznego. Na wykresie przedstawiona jest moc wyjściowa zmieniająca się w czasie w wyniku zwiększania napięcia na elektrodach. W trakcie pomiaru kompensowana była zmiana położenia falowodu. Moc na wyjściu dla pól E = 0, 2, 4, 6, 8, 10 kv/cm, Struktura 12A, falowód 2624A_E1_T4, = 880 nm a) b) Rys. 14. Wpływ pola elektrycznego na przesunięcie obrazu wiązki wychodzącej z falowodu. A) profil bez pola elektrycznego i B) profil z polem o natężeniu 10 kv/cm 9

10 = 865 ( ) = 870 ( ) = 875 ( ) = 885 ( ) Rys.15. Zmiany mocy wyjściowej z falowodu w funkcji czasu dla różnych długości fali, natężenie pola: 10 kv/cm, Struktura 12A, falowód 2624A_E1_T4 10