Załącznik nr 9

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
Polaryzacja wiązki
pompującej - pionowa
800V
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
0V
400V
500V
600V
700V
800V
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