Diffusion of Iron in Lithium Niobate for applications in integrated optical devices

In the field of optical signal processing and all-optical integrated devices, photorefractive crystals can be used because of their capability to keep memory of a spatially varying light pattern. Among them, lithium niobate is particularly interesting because its photorefractive response can be improved or inhibited by adding selected dopants: this opens the possibility of producing an integrated device in a lithium niobate single crystal, where each stage has different properties and different functions according to the doping. In particular, a photorefractive stage can be created by doping with Fe, which is known to enhance photorefractive effect. In the context of integrated devices, it is necessary to perform a local doping of lithium niobate with Fe, in order to obtain a suitable substrate for photorefractive recording. This thesis deals with the preparation and characterisation of the locally doped crystal, i.e. with an investigation of the preparation conditions and how they affect the crystal quality. Many characterisation techniques, customary in materials science, such as secondary ion mass spectrometry, spectrophotometry and others, have been used and refined specifically for Fe doped lithium niobate. Besides the practical aim to find the best preparation conditions, many basic properties and features of this material have been investigated, leading to an advance in the knowledge of this material, as well as an advance in the usage of characterisation tools.

Nel campo del trattamento di segnali ottici e dei dispositivi ottici integrati, i cristalli fotorifrattivi sono impiegati per via della loro capacità di mantenere memoria di un pattern di luce. Tra questi, il niobato di litio è particolarmente interessante per via del fatto che la sua risposta fotorifrattiva può essere migliorata o inibita aggiungendo determinati droganti: è quindi possibile produrre, in un cristallo singolo di niobato di litio, un dispositivo integrato in cui ciascuna parte ha differenti proprietà e differenti funzioni a seconda del drogaggio. In particolare, si può realizzare una zona fotorifrattiva drogando con Fe, che come noto aumenta l'eetto fotorifrattivo. Nel contesto dei dispositivi ottici integrati, è necessario drogare localmente con Fe il niobato di litio per ottenere un substrato adatto alla registrazione fotorifrattiva. Questa tesi tratta la preparazione e la caratterizzazione del cristallo drogato localmente, studiando le condizioni di preparazione e come esse in uenzano la qualità del cristallo. Molte tecniche di caratterizzazione abituali in scienza dei materiali, come la spettrometria di ioni secondari, la spettrofotometria ed altre, sono state utilizzate ed affinate specificamente per questo materiale. Accanto all'obiettivo pratico di trovare le migliori condizioni di preparazione, molte proprietà e caratteristiche di base di questo materiale sono state approfondite, progredendo sia nella conoscenza del materiale, sia nell'uso degli strumenti di caratterizzazione.