Laser-induced ferroelectric and photonic structures in lithium niobate crystals

Abstract

The influence of laser illumination on ferroelectric domain engineering, waveguide formation and surface micro-structuring in lithium niobate (LN) is investigated. The ability to combine and to manipulate the size and depth of poling inhibited (PI) domains, which are produced by UV-laser irradiation of the +z face of congruent lithium niobate crystals followed by electric field poling, is demonstrated. It is therefore possible to produce complex domain structures, by partially overlapping individual UV laser irradiated tracks thus increasing the utility of this method for the fabrication of surface microstructures. Investigation of the electro-optic performance of ferroelectric/photonic composite structures, which occur naturally as a consequence of the PI process, had shown a significant enhancement (by ~ 36.7 % under the experimental conditions used) of the inherent electro-optic coefficient of the crystal attributed to large range stress at the domain boundaries. Τhe feasibility of UV laser induced PI domain engineering in proton exchanged waveguides in LN was investigated showing that PI domain inversion is in principle possible. It requires however high laser intensity illumination which may produce significant surface damage. Additionally it was found that the proton concentration was also affected by the UV laser irradiation resulting in modifications of the original proton exchanged waveguide structure. Finally, an alternative to UV laser irradiation as a means for PI domain engineering and waveguide formation in LN is presented. This alternative method uses visible c.w. laser irradiation and an amorphous silicon absorbing layer to couple energy into the LN crystal thus emulating the direct absorption that occurs at UV wavelengths.

Η επίδραση της ακτινοβολίας λέιζερ στη μηχανική των σιδηροηλεκτρικών περιοχών, τον σχηματισμό κυματοδηγών και τη μικροδόμηση της επιφάνειας κρυστάλλων νιοβικού λίθίου διερευνώνται. Συγκεκριμένα, παρουσιάζεται η δυνατότητα συνδυασμού και χειρισμού του μεγέθους/βάθους περιοχών όπου αναστέλλουν την αναστροφή της πολωσιμότητας (PI), οι οποίες δημιουργούνται μέσω ακτινοβόλησης υπεριώδους ακτινοβολίας λέιζερ της +z επιφάνειας κρυστάλλων νιοβικού λιθίου, ακολουθούμενη από πόλωση του ηλεκτρικού πεδίου. Είναι επομένως δυνατό να παραχθούν πολύπλοκες δομές σιδηροηλεκτρικών περιοχών με μερική επικάλυψη μεμονωμένων ακτινοβολούμενων ιχνών, αυξάνοντας έτσι τη χρησιμότητα αυτής της μεθόδου για την κατασκευή μικροδομών. Επίσης διερευνάται η ηλεκτρο-οπτική απόδοση σιδηροηλεκτρικών/φωτονικών σύνθετων δομών, η οποία εμφανίζεται ως φυσική συνέπεια της διαδικασίας PI, επιδεικνύοντας σημαντική ενίσχυση (κατά ~36,7% υπό τις χρησιμοποιούμενες πειραματικές συνθήκες) του εγγενούς ηλεκτρο-οπτικού συντελεστή του κρύσταλλου. Παράλληλα, η δυνατότητα εφαρμογής της μηχανικής των σιδηροηλεκτρικών περιοχών επαγόμενης με υπεριώδους ακτινοβολίας λέιζερ σε κυματοδηγούς νιοβικού λίθιου ανταλλαγής πρωτονίων μελετήθηκε δείχνοντας ότι η αντιστροφή PI περιοχών είναι καταρχήν δυνατή. Ωστόσο παρατηρήθηκε ότι η υψηλής έντασης λέιζερ ακτινοβολία που απαιτείται μπορεί να προκαλέσει σημαντική ζημιά στην επιφανειακή ποιότητα του κρυστάλλου. Επιπρόσθετα, βρέθηκε ότι η συγκέντρωση πρωτονίων επηρεάστηκε από την υπεριώδη ακτινοβολία λέιζερ με αποτέλεσμα τη τροποποίηση της αρχικής δομής του κυματοδηγού. Τέλος, παρουσιάζεται ως εναλλακτική λύση της υπεριώδους ακτινοβολίας λέιζερ για στη μηχανική των PI σιδηροηλεκτρικών περιοχών και τον σχηματισμό κυματοδηγών στο νιοβικό λίθιο, χρησιμοποιώντας ορατής ακτινοβολίας λέιζερ σε συνδυασμό με ένα υμένιο απορρόφησης άμορφου πυριτίου.