Local doping of lithium niobate by iron diffusion: a study of photorefractive properties

In the last decades the electronic data transmission technology has progressively reached its performance limits and it is nowadays evident that further advances can be achieved only by all-optical signal processing systems. Thus the research in nonlinear optics have been rapidly expanding in the last twenty years, developing many applications of photonics which are now relevant for industrial and consumer markets. In particular, in electro-optic materials the phenomena based on the photorefractive effect are doubtless playing a major role in the building up of optoelectronic signal transmission and processing devices and lithium niobate (LiNbO3) is a promising material due to its high electro-optic and nonlinear optical coefficients. Moreover, lithium niobate offers incredible versatility as substrate for integrated optics, allowing to realize on the same crystal optical elements with different functions, by exploiting various microstructural technologies. This kind of devices require the capability to locally change the physical properties of the material, by doping it with the proper element only in a limited area of the substrate. In particular, it is known that by doping the lithium niobate with iron the photorefractive properties of the material are enhanced, thus to realize an integrated optical system with a photorefractive stage an iron local doping has to be performed. In this work the thermal diffusion process is exploited to realize iron locally doped lithium niobate crystals and the structural and photorefractive properties of the doped layer are studied. In particular it has been designed and built-up a new optical set-up able to investigate only a limited area of the doped layer, thus allowing to relate at each depth the examined iron concentration with the corresponding photorefractive response of the material. In this way it is possible to realize in depth-profiles of the main physical photorefractive parameters involved in the photorefractive effect and physical mechanisms never studied before can be now investigated.

Negli ultimi decenni la tecnologia di trasmissione di dati elettronici ha progressivamente raggiunto i suoi limiti di prestazione ed al giorno d'oggi è evidente che ulteriori sviluppi possono essere raggiunti solo con l'utilizzo di sistemi ottici integrati. Perciò la ricerca relativa all'ottica non lineare ha avuto una rapida espansione negli ultimi ventanni, sviluppando molte applicazioni fotoniche che risultano rilevanti sia per il mercato industriale che per quello privato. In particolare, tra i materiali elettro-ottici i fenomeni che si basano sull'effetto fotorifrattivo stanno senza dubbio avendo un ruolo importante nella realizzazione di dispositivi per la trasmissione e il trattamento di segnali optoelettronici e il niobato di litio (LiNbO3) è un materiale promettente, dati i suoi alti coefficienti elettro-ottici e ottici non lineari. Inoltre il niobato di litio offre un incredibile versatilità come substrato per ottiche integrate, permettendo di realizzare sullo stesso cristallo elementi ottici con differenti funzioni, sfruttando varie tecnologie di microstrutturazione. Questo tipo di dispositivi richiede la capacità di cambiare localmente le proprietà fisiche del materiale, drogandolo con un opportuno elemento su una regione limitata del substrato. In particolare, è noto che drogando il niobato di litio con ferro le proprietà fotorifrattive del material vengono notevolmente migliorate, così per realizzare un sistema ottico integrato che presenti uno stadio fotorifrattivo si deve realizzare un drogaggio locale con ferro. In questo lavoro il processo di diffusione termica è sfruttato per realizzare cristalli di niobato di litio drogati localmente con ferro e sono studiate le proprietà strutturali e fotorifrattive dello strato drogato. In particolare è stato sviluppato e costruito un apparato ottico in grado di investigare solo un'area limitata dello strato drogato, permettendo in tal modo ad ogni profondità all'interno della zona drogata di mettere in relazione la concentrazione di ferro esaminata con la corrispondente risposta fotorifrattiva del materiale. In questo modo è possibile realizzare profili in profondità delle principali grandezze fisiche coinvolte nell'effetto fotorifrattivo e meccanismi fisici mai studiati prima possono essere ora investigati.