Załącznik nr 9 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 Zbadanie wpływu pojedynczej fali przechodzącej w poprzek struktury na falę prowadzoną w strukturze, sprawdzenie możliwości wzmacniania fali prowadzonej w wyniku zjawiska fotorefrakcyjnego mieszania dwóch fal Wykonawcy: Andrzej Ziółkowski Szczecin 2015 1
1. Układ pomiarowy. Wymiana energii pomiędzy falą pompującą i falą prowadzoną w oparciu o fotorefrakcyjne mieszanie dwóch fal może zostać zrealizowana w konfiguracji podobnej do przedstawionej w artykule [1]. Schematycznie konfiguracja ta została przedstawiona na rysunku poniżej. Rys. 1. Mieszanie fali sygnałowej i fali pompującej przechodzącej w poprzek struktury. Szczegóły teoretyczne zjawiska mieszania dwufalowego dla badanych struktur opisane zostały w raporcie z zadania nr 7 (załącznik 10). Niżej przedstawione zostanie podsumowanie badań eksperymentalnych w tym zakresie. Aby uzyskać możliwość wymiany energii pomiędzy dwoma wiązkami świetlnymi układ eksperymentalny zbudowany w ramach zadania nr 5 (umożliwiający wprowadzenie fali sygnałowej do warstwy prowadzącej falowodu metodą end face coupling załącznik 4) został rozbudowany przez wydzielenie gałęzi pompy w sposób umożliwiający kontrolę jej mocy i polaryzacji. Schematycznie został on przedstawiony na Rys. 2. Rys. 2. Schemat eksperymentalny umożliwiający jednorodne podświetlenie struktury falowodu wiązką pompy. Użyto następujących oznaczeń: PF półfalówka, P polaryzator, KP kostka światłodzieląca polaryzująca, K kostka światłodzieląca, S soczewka sferyczna, Sc soczewka cylindryczna, OM obiektyw mikroskopowy. Z zwierciadło, Tłumik (pochłaniacz optyczny), BE beam expander (poszerzacz wiązki), D - diafragma. W przedstawionym układzie pomiarowym przewidziano niezależną możliwość regulacji mocy i polaryzacji zarówno wiązki sygnałowej jak i pompującej. Służą do tego celu elementy P1, PF1 oraz P2, PF2. Dzięki temu możliwe jest ustalenie właściwego stosunku mocy wiązki pompującej do wiązki sygnałowej oraz zmiana polaryzacji wiązki pompującej (wiązka sygnałowa utrzymuje polaryzację poziomą zgodną z polaryzacją modu TE). Możliwość regulacji polaryzacji wiązki pompującej jest szczególnie istotna gdyż pozwala na różnicowanie dwóch konfiguracji eksperymentalnych: 2
pierwszej, w której polaryzacja wiązki padającej na falowód nie umożliwia wymiany energii z wiązką sygnałową. Wiązka pompująca stanowi wtedy jedynie jednorodne podświetlenie dające możliwość regulacji poziomu koncentracji wzbudzonych w całej strukturze nośników. Dzięki temu możliwa jest również regulacja temperatury struktury drugiej, w której oprócz jednorodnie podświetlanego tła, wiązka pompująca stanowi również źródło energii, dzięki któremu może być wzmacniana wiązka sygnałowa. Taka konfiguracja układu eksperymentalnego posiada pewną zaletę ze wzglądu na fakt wygrzewania się struktury pod wpływem przepływającego przez nią prądu. Ponieważ stwierdzono przemieszczanie się warstwy prowadzącej pod wpływem efektów termicznych oraz silną zależność temperatury od płynącego przez strukturę prądu w przedstawionym układzie można wyobrazić sobie scenariusz pomiarowy posiadający następujące cechy: ustalając niewielką wartość mocy optycznej wiązki sygnałowej w stosunku do mocy wiązki pompującej, z jednej strony umożliwiamy efektywne jej wzmacnianie (wiązki sygnałowej) z drugiej natomiast minimalizujemy głębokość modulacji pola elektrycznego wywołanego niejednorodnym rozkładem natężenia wiązki sygnałowej. jeżeli do ustalenia odpowiedniego stosunku mocy wiązki pompującej względem sygnałowej użyjemy jedynie półfalówki PF1 oraz polaryzatora P1, polaryzator P2 w zasadzie może zostać usunięty. W ten sposób półfalówka PF2 zapewnia rotacje polaryzacji wiązki pompującej przy zachowaniu stałej wartości jej mocy. załóżmy, że polaryzacja wiązki pompującej została ustawiona tak, że wzmocnienie wiązki sygnałowej nie zachodzi. Jeżeli struktura wygrzewa się pod wpływem dryfu wzbudzonych optycznie nośników, to po pewnym czasie od załączenia napięcia zasilającego powinno dojść do ustalenia się stanu równowagi, w którym temperatura struktury przestaje się zmieniać. w tak ustalonych warunkach eksperymentalnych, mamy możliwość zmiany polaryzacji wiązki pompującej (za pomocą półfalówki PF2) bez zmiany wartości jej mocy optycznej. W ten sposób przechodzimy od konfiguracji nie pompującej do konfiguracji pompującej bez zmiany przepływającego przez strukturę prądu, a co za tym idzie bez zmiany jej temperatury. A więc teoretycznie zaproponowany układ eksperymentalny powinien umożliwić pomiar wzmocnienia sygnału nawet przy występowaniu niekorzystnych warunków związanych z przemieszczaniem się struktury pod wpływem efektów termicznych. 2. Rezultaty badań dla próbki 2624A (oznaczenie własne E1_L4_1) Na rysunku poniżej pokazano rozkład wiązki sygnałowej zarejestrowany w płaszczyźnie wyjściowej falowodu Rys. 3a) oraz widok falowodu z góry b) - d). Widok z góry pozwala zaobserwować rozkład wiązki propagującej się w falowodzie wzdłuż kierunku propagacji. Jest to możliwe dzięki rozpraszaniu światła na defektach i innych centrach rozpraszających. Zanik tego sygnału związany jest ze stosunkowo wysokim współczynnikiem absorpcji. Obraz propagującej się wiązki ulega więc zmianie w zależności od natężenia światła 3
wprowadzonego do falowodu. Rysunki b) i c) przedstawiają sytuację bez oświetlenia pompy ale z różną wartością mocy sygnału świetlnego. Natomiast rysunek d) przedstawia sytuację kiedy na powierzchnię falowodu pada jednorodna wiązka pompująca (widoczne jest światło odbite od obszaru elektrod). b) c) a) d) Rys. 3. Rozkład wiązki sygnałowej w płaszczyźnie wyjściowej falowodu oraz propagacja sygnału widoczna od góry (dzięki rozpraszaniu) w przypadku małej mocy sygnału b), dużej mocy sygnału c), oraz przy dodatkowym oświetleniu wiązką pompującą d). Wykonując pomiary wstępne ustalono wartość mocy optycznej pompy, przy której prąd płynący przez strukturę osiągał wartość około 100 ma dla napięcia o wartości 1000 V. Pomiary mocy sygnału prowadzonego przeprowadzono dla dwóch ortogonalnych polaryzacji wiązki pompującej. Pierwszy pomiar został wykonany przy ustaleniu za pomocą półfalówki PF2 polaryzacji pionowej. Zaplanowano zmianę napięcia zasilającego od wartości 400 V do 1200 V. Podczas pomiarów okazało się jednak, że już przy wartości 800 V wartość mocy sygnału osiąga poziom szumu. Rys. 4 przedstawia zależność mocy optycznej prowadzonej w falowodzie w funkcji czasu. Zmiana napięcia następowała w równych interwałach czasowych, co 60 s. 4
0V 0V 400V 500V 600V 700V 800V Polaryzacja wiązki pompującej - pionowa poziom szumu Rys. 4. Zmiany sygnału optycznego prowadzonego w falowodzie pod wpływem zmian napięcia zasilającego. Pionowa polaryzacja wiązki pompującej. Wiązka sygnałowa spolaryzowana zgodnie z polaryzacją modu TE. Następny pomiar wykonany został w tych samych warunkach eksperymentalnych ale dla poziomej polaryzacji wiązki pompującej. Podobnie jak wcześniej moc wiązki podświetlającej ustawiono na wartość generującą prąd o wartości 100 ma przy napięciu 1000 V. Pomiar mocy wykazał, że jest to dokładnie taka sama moc jak w przypadku polaryzacji pionowej. 0V 400V 500V 600V 700V 800V 0V Polaryzacja wiązki pompującej - pozioma poziom szumu Rys. 5. Zmiany sygnału optycznego prowadzonego w falowodzie pod wpływem zmian napięcia zasilającego. Pozioma polaryzacja wiązki pompującej. 5
Rysunek 5 przedstawia zależność mocy optycznej prowadzonej w falowodzie w funkcji czasu. Zmiana napięcia następowała podobnie jak wcześniej w mniej więcej równych interwałach czasowych, co około 60 s. Podobnie jak w przypadku pomiarów dla polaryzacji pionowej przy napięciu o wartości 800 V moc sygnału optycznego osiągała poziom szumu. Moc sygnału pozostała bez zmian w stosunku do wcześniejszego pomiaru. Podczas badań zaobserwowano, że po przyłożeniu napięcia położenie struktury nie ulegało zmianie (nie możliwa była kompensacja przesunięcia falowodu falowód zachowywał swoją pozycję początkową). Może to oznaczać, że zanik mocy sygnału wywołany został nie tyle termicznym przesunięciem warstwy prowadzącej co termicznym efektem optycznym. Przez ten drugi rozumiem wywołaną przez temperaturę zmianę widma absorpcji w spektralnym obszarze zarówno pików ekscytonowych jak i w obszarze bliskorezonansowym. Opierając się na przedstawionych wyżej pomiarach założono, że spadek wartości mocy wiązki sygnałowej pod wpływem napięcia pozwala wyznaczyć wartość elektroabsorpcji korzystając z prawa absorpcji (prawo Lamberta). Uzyskane wyniki przedstawiono na wykresach Rys. 6a (dla pionowej polaryzacji wiązki pompującej) i Rys. 6b (dla poziomej polaryzacji wiązki pompującej). Rys. 6. a) Elektroabsorpcja wyznaczona dla pionowej polaryzacji wiązki podświetlającej. Ostatni punkt pomiarowy obarczony jest dużym błędem pomiarowym z powodu spadku sygnału do poziomu szumu. b) Elektroabsorpcja wyznaczona dla poziomej polaryzacji wiązki podświetlającej. Ostatni punkt pomiarowy obarczony jest dużym błędem pomiarowym z powodu spadku sygnału do poziomu szumu. 3. Podsumowanie Zaprezentowane wyżej wyniki nie pozwalają stwierdzić obecności fotorefrakcyjnego mieszania fal w badanym falowodzie. Zmiana polaryzacji wiązki pompującej nie wywołuje jakościowych zmian w mocy wiązki prowadzonej. Wykresy przedstawione na Rys. 4-6 posiadają w zasadzie podobny charakter. Interesująca jest jednak możliwość wpływania na widmo absorpcji w badanym zakresie spektralnym za pomocą wywołanej polem elektrycznym zmiany temperatury. Przeprowadzone badania mogą wskazywać ciekawy wątek badawczy związany z pomiarami efektów elektro-termicznych, wpływających na wartość absorpcji badanej struktury. 6