Risultati sperimentali
6.1 Spettroscopia m-line
guida GeS2Ga2S3CsI:Pr3+
La prima parte delle misure di caratterizzazione, come già fatto nel caso dello spettro d’assorbimento (Paragrafo 4.2), ha riguardato due guide d’onda a base di calcogenuro contraddistinte dalla stessa proporzione tra i composti presenti, dallo stesso contenuto di Pr3+ e realizzate con la medesima configurazione dell’apparato di deposizione, distinte solo dal fatto che l’una è stata ottenuta senza la movimentazione del substrato e l’altra con il substrato in moto (Paragrafo 3.4.1). Per brevità, nel seguito della discussione queste verranno indicate con fcsm e fccm, rispettivamente.
L’analisi delle due guide è stato realizzata al fine di ottenere informazioni sull’influenza che la movimentazione del substrato ha sull’uniformità dello spessore del film.
Questo studio comparativo è, ovviamente, stato svolto al fine di individuare il miglior set-up per la tecnica di deposizione, tramite la raccolta di indizi da integrare con quelli già ricavati dallo spettro d’assorbimento di fcsm e fccm (Paragrafo 4.2).
1 I numeri anteposti ai diversi composti indicano la loro percentuale molare all’interno del campione (mol %).
In Figura 6.1 è riportato lo spettro m-line dei due campioni eccitati, in modalità TE, con un laser a He-Ne con emissione a λ = 632.8 nm.
Come si può notare, il numero di modi supportati è lo stesso per le due guide: 4.
Gli altri picchi presenti all’interno dello spettro sono, invece, modi di substrato e questo fatto è evidenziato dal ginocchio che si può osservare per un angolo di incidenza di
~ 5°, nel caso di fcsm, e di ~ 6°, nel caso di fccm.
Come indicato nel Paragrafo 4.3.1, la misura dell’indice di rifrazione del substrato è stata effettuata prima dello studio dei modi della guida ed è stata, in seguito, inserita nel programma che gestisce l’apparato m-line, al fine di ottenere l’esatto valore dell’indice di rifrazione efficace relativo a ciascun modo: come si vede dal grafico, infatti, l’inizio del substrato è associato ad un valore dell’indice di rifrazione coincidente con quello del substrato stesso, ~ 2.28 (4.6).
Fig. 6.1 – Spettro m-line della guida ottenuta con movimentazione del substrato, fccm, e della guida ottenuta senza la movimentazione del substrato, fcsm, con λ = 632.8 nm e in polarizzazione TE.
60 40 20 0 -20 -40 -60
indice di rifrazione efficace n
eff
Nella tabella 6.1 sono riassunte le caratteristiche dei modi riscontrati, l’indice di rifrazione e lo spessore delle guide, nel punto in cui si è avuto l’accoppiamento (Paragrafo 4.3).
fcsm fccm
n0 = 2.5707 n0 = 2.5181 modo TE0
ϑ0 = 38.385° ϑ0 = 30.585°
n1 = 2.5190 n1 = 2.4571 modo TE1
ϑ1 = 30.712° ϑ1 = 22.8°
n2 = 2.4447 n2 = 2.4183 modo TE2
ϑ2 = 21.33° ϑ2 = 18.315°
n3 = 2.3856 n3 = 2.3486 modo TE3
ϑ3 = 14.745° ϑ3 = 10.905°
indice di rifrazione n = 2.5520 ± 10-4 n = 2.5865 ± 10-4 spessore h = 990.8 ± 0.1 nm h = 1227.3 ± 0.1nm
L’analisi delle proprietà delle guide verrà effettuata nel Capitolo 7; per ora, si fa solo notare che lo spettro m-line riportato mostra dei picchi allargati per entrambe le guide.
Ciononostante, i modi relativi alla guida fcsm sono più larghi di quelli della guida fccm.
Questa differenza è da farsi risalire direttamente alla movimentazione del substrato utilizzata per la guida fccm, ma non per la guida fcsm: si intuisce, dunque, che il moto del substrato durante la deposizione permette di migliorare l’uniformità dello spessore del deposito finale (Paragrafo 3.4.1), riducendo così l’evanescenza dei modi e le presumibili perdite ad essi relative.
Va, infine, sottolineato che i risultati presentati sono relativi solo al caso di polarizzazione TE con λ = 632.8 nm; questo perché gli spettri m-line ottenuti in polarizzazione TM con λ = 632.8 nm e con λ = 543.5 nm, sia in polarizzazione TE che TM, si sono rivelati del tutto inconsitenti.
Tab. 6.1 – Indice di rifrazione e spessore della guida e indici di rifrazione efficace e corrispondenti angoli di attivazione, per eccitazione a λ = 632.8 nm, in polarizzazione TE.
L’errore relativo agli indici di rifrazione efficace è pari a 2 ×10-4, mentre quello relativo agli angolo è di 0.015°.
Il motivo per cui, in polarizzazione TM con λ = 632.8 nm, anche il solo accoppiamento della radiazione risulta impossibile, è legato alla birifrangenza del prisma e ai valori del suo indice di rifrazione a seconda della polarizzazione e della lunghezza d’onda utilizzata (4.5).
Se in polarizzazione TE la differenza tra l’indice del prisma e quello del film, con λ = 632.8 nm, è ~ 0.32 (Paragrafo 4.3.1), in polarizzazione TM questa si riduce a ~ 0.04: l’accoppiamento, dunque, non può essere ottimale.
Con λ = 543.5 nm, invece, in polarizzazione TE la differenza è ~ 0.28, ma in questo caso si è troppo vicini all’edge di assorbimento della guida (Paragrafo 4.2) e, quindi, la radiazione viene completamente assorbita, senza che vi possa essere neanche accoppiamento.
In polarizzazione TM e con λ = 543.5 nm, infine, l’indice di rifrazione del prisma è inferiore a quello della guida e, quindi, vengono a mancare le condizioni di accoppiamento.
guida SiO2-TiO2:Er3+
Lo spettro m-line relativo alla guida SiO2-TiO2 drogata con erbio evidenzia, invece, la presenza di due modi particolarmente piccati, sia in polarizzazione TE che in polarizzazione TM, sia con λ = 632.8 nm (Figura 6.2) che con λ = 543.5 nm (Figura 6.3).
λ = 632.8 nm λ = 543.5 nm modo TE0 n0 = 1.488416 n0 = 1.497228 modo TE1 n1 = 1.465991 n1 = 1.477068 modo TM0 n0 = 1.48585 n0 = 1.494834 modo TM1 n1 = 1.46329 n1 = 1.474547 indice di rifrazione n = 1.4964 ± 10-4 n = 1.5042 ± 10-4
spessore h = 1.6523 ± 10-4 μm h = 1.5577 ± 10-4 μm Tab. 6.2 – Indice di rifrazione e spessore della guida e indici di rifrazione efficaci e corrispondenti angoli di attivazione, della guida SiO -TiO :Er3+ con
Dalla tabella 6.2, in cui sono riassunte le caratteristiche dei modi osservati, si deduce che vista la leggera discrepanza tra i modi TE e TM, la guida può ritenersi, in prima approssimazione, non birifrangente.
Si può verificare che l’indice di rifrazione misurato è inferiore a quello calcolato tramite la relazione di Lorentz-Lorenz; ciò indica la presenza di porosità residua all’interno del film.
1,44 1,45 1,46 1,47 1,48 1,49 1,50 1,51 1,52 1,53 40
Prisma GGG cod. 994.5; P=2.5 bar; half-step; ns(SiO2)=1.4603
h : 1.6523 µm n : 1.4964
Intensità (a. u.)
indice di rifrazione efficace (neff)
Fig. 6.2 – Spettro m-line della guida SiO2-TiO2:Er3+ con λ = 632.8 nm, in modalità TE e TM.
Fig. 6.3 – Spettro m-line della guida SiO2-TiO2:Er3+ con λ = 543.5 nm, in modalità TE e TM.
1,45 1,46 1,47 1,48 1,49 1,50 1,51 1,52 1,53 30
Prisma GGG cod. 994.5; P=2.5 bar; half-step; ns(SiO2)=1.4603
λ=543.5 nm
Intensity (a. u.)
indice di rifrazione efficace (neff)