ТОНКИЙ АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ ДВУХЦВЕТНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ

April 11, 2012 by admin Комментировать »

Дряхлушин В. Ф., Гайкович К. П. Институт физики микроструктур РАН ГСП-105, Нижний Новгород – 603950, Россия Тел.: (8312)675535, e-mail: dvf@ipm.sci-nnov.ru

Аннотация – Целью данной работы является исследование пространственного распределения мод излучения двухцветного полупроводникового лазера в ближней зоне лазера. Данный лазер предназначен для генерации тера- герцового излучения при смешении двух близко лежащих мод инфракрасного излучения, где нелинейным элементом является оптический волновод, поэтому в нем наряду с синхронизацией мод предъявляются строгие требования к пространственному совмещению мод. Картина излучения лазера в ближней зоне была получена методом ближне- польной оптической микроскопии, в котором зонд являлся приемником оптического излучения. Для повышения разрешающей способности полученного изображения была проведена его деконволюция с помощью решения обратной задачи Тихонова при учете передаточной функции зонда, т. е. учете его размеров и диаграммы направленности излучения, что позволило улучшить разрешение экспериментально полученного изображения в 2-3 раза. В работе приведены карты излучения различных мод лазера в ближнем поле при разных токах накачки, что позволяет выбрать оптимальные режимы его работы.

I.  Введение

Целью данной работы является исследование пространственного распределения мод излучения в двухцветном полупроводниковом ИК лазере. Привлекательной особенностью этого лазера является возможность генерации терагерцового излучения в его оптическом волноводе при смешении двух мод, разностная частота которых лежит в указанном диапазоне. При этом нелинейным элементом является сам оптический волновод из арсенида галлия. Очевидно, что для эффективного преобразования излучения необходима не только синхронизация мод, но и их пространственное совмещение. Картина излучения лазера в ближней зоне излучения (т. е. фактически в самом волноводе) была получена методом ближне- польной оптической микроскопии, в котором зонд являлся точечным приемником оптического излучения [1]. Для улучшения разрешения данного изображения нами была решена обратная задача Тихонова при учете передаточной функции зонда, т. е. конечности его размеров и диаграммы направленности, используя разработанный нами ранее метод повышения разрешения в ближнепольной микроскопии [2]. Это позволило в 2 – 3 раза улучшить разрешение полученного экспериментально изображения.

II.  Основная часть

При получении изображения в сканирующей зон- довой микроскопии передаточная функция зонда сглаживает реальную картину. Если передаточная функция известна (даже приблизительно) можно решить обратную задачу по восстановлению изображения. Как известно из теории некорректных задач, проблема сводится к решению интегрального уравнения Фредгольма 2-го рода. Если двумерное (2D) распределение сигнала известно, тогда связь между измеренным и действительным изображением может быть выражена как 2-D конволюция:

(х, у)=//К (x-s, y-t) z (s, t) dsdt,

где ядро является передаточной функцией, z (х, у) – измеряемый сигнал, и действительное распределение может быть вычислено. Решение этого уравнения позволяет восстановить изображение поверхности с высоким разрешением.

Ключевым вопросом метода, развитого в [2], является нахождение передаточной функции уравнения по мельчайшим деталям изображения. Передаточная функция зонда микроскопа была найдена из анализа тестовой структуры в [2], и было показано, что соответствующее ядро может быть аппроксимировано двумерным гауссовским распределением с параметрами полуширины <тх=<ту=<т=70 нанометров (размер мельчайших деталей, определяющих передаточную функцию).

Используя изображение, полученное с помощью сканирующего ближнепольного оптического микроскопа, и его деконволюцию, излучение двухцветного полупроводникового лазера с различными квантовыми ямами [1] было исследовано. Результаты измерений микроскопа в коллекторной моде (когда зонд является точечным приемником оптического излучения), показаны на рис. 1а и 2а для двух длин волн излучения li=1.005 цт и /12=1.030 цт при токе накачки 0.2 А. Кроме устранения эффекта сглаживания, обусловленного передаточной функцией зонда, метод позволяет исправить некоторые нарушения картины, связанные со сбоями при сканировании. Эти нарушения приводят к увеличению значения <тх до значения порядка 300 нм. Учитывая все это, после деконволюции изображения мы получаем восстановленное распределение излучения полупроводникового лазера в ближней зоне, показанное на рис. 1Ь и 2Ь. Очевидно, что восстановленная структура изображения имеет значительно лучшее разрешение. Отметим, что распределение полей в оптическом волноводе существенно зависят от тока накачки лазера, что и было показано. Проведенные измерения с последующей их обработкой методом деконволюции позволяют найти оптимальные режимы работы лазера для реализации терагерцового излучения в таких структурах.

Рис. 1. Измеренное излучение лазера на длине волны 1.030 /им (слева) и его восстановленное изображение (справа). Размер кадра 4.3 /им.

Fig. 1. Measured laser emission at wavelength of 1.030 /um (left) and it is retrieved image (right). Lateral size of image is 4.3 /um

Фиг. 2. Измеренное излучение лазера на длине волны 1.005 /им (слева) и его восстановленное изображение (справа). Размер кадра 4.3 /им.

Fig. 2. Measured laser emission at wavelength of 1.005 /um (left) and its retrieved image (right). Lateral size of image is 4.3 /um

I.    Заключение

Таким образом, в данной работе исследована тонкая структура пространственного распределения мод излучения двухцветного полупроводникового ИК лазера в его оптическом волноводе. Показано, что решение обратной задачи методом Тихонова с учетом передаточной функции зонда микроскопа позволяет в 2-3 раза улучшить разрешение изображения, получаемого с помощью сканирующего ближнеполь- ного оптического микроскопа.

II.   Список литературы

1.     D. О. Filatov, G. A. Maximov, V. P. Mishkin et ai. Proc. Int. Workshop «Scanning Probe Microscopy», p. 213, Nizhny Novgorod, 2004.

2.     K. P. Gaikovich, V. F. Dryakhiushin, A. V. Kruglov,

A. V. Zhilin. Phys. Low-Dim. Struct., no 5/6, p. 93 (2002).

FINE ANALYSIS OF EMISSION STRUCTURE OF TWO-COLOR SEMICONDUCTOR LASER IN NEAR FIELD ZONE

Dryakhiushin V. F., Gaikovich K. P.

Institute for Physics of Microstructures RAS GSP-105, Nizhny Novgorod, 603950, Russia Phone: (8312) 675535 E-mail: dvf@ipm.sci-nnov.ru

The aim of this work is investigation of the spatial distribution of different modes of two-color semiconductor IR laser emission. The attractive property of this laser is possibility of generation of terahertz oscillation with help of mixing of two different modes of laser radiation. For successful realization of this problem the spatial matching of this modes is necessary. We have achieved a higher resolution that makes it possible to observe radiation map details with sizes of about 50 manometers. The scanning near-field optical microscope (SNOM) resolution is determined by the size of the probe aperture (~ 50 – 100nm), which is much smaller than the wavelength of light. To obtain the better resolution, measurements results have been processed further taking into account the probe transfer function.

This processing used results of our previous works, where image deconvolution method has been developed to restore SNOM images distorted by the probe transfer function influence. Under this influence the smoothening of the real picture takes place. If the transfer function is known (even approximately), it is possible to consider the inverse problem of the image rectification. This problem consists of the solution of integral Fredholm equation of 2-D convolution type, which is known as ill-posed problem. In [2] an algorithm based on Tikhonov’s method of generalized discrepancy has been worked out.

The key part of the approach developed in [2] is the method of determination of the transfer function from the image of a structure that contains small details. These details can be considered as a 5-function. The probe transfer function has been determined from the analysis of a test structure, and it was obtained that the corresponding kernel can be well- approximated by the 2-D Gauss distribution with the half-width parameters « 70 nm.

Using the SNOM microscopy and image deconvolution, the semiconductor injection two-color laser with different quantum walls [1] has been studied. Results of SNOM measurements in the collection mode of the near-field laser emission at two wavelength 1.005 цт and 1.030 цт are shown in Fig.1a and 2a. Besides the probe smoothening effect, it is possible to see also some horizontal distortion in measured pictures related to positioning errors at the scanning. Taking into account the average over this transfer function, after the image deconvolution, we obtain the retrieved emission distribution in near-field zone shown in Fig. 1b and 2b.

The spatial structure of emission in these reconstructed images is much more clearly seen. As we may see from the retrieved images, there is the essential difference between spatial localization of emission at two wavelengths in optical waveguide. It should be taken into account as an important disadvantage in possible application for terahertz emission radiation.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты