Micro-nano structured electro-optic devices in LiNbO3 for communication and sensing
Authors:   , Tulli Domenico 
Published: October 2023

A material that is enabling integrated optics is the ferroelectric crystal Lithium Niobate (LiNbO3), which has excellent electro-optical, acousto-optical and nonlinear optical properties. Moreover, it can be doped with laser-active ions and allows for simple fabrication of low-loss optical waveguides.
The broad aim of this work is to develop and introduce advanced micro- and nano-fabrication techniques for LiNbO3 and a new class of integrated based telecommunication and sensing devices. The techniques developed include precise micro-domain inversion, etching, bonding and thin film fabrication.
From a device point of view, domain inversion is used to improve the electro-optic response of LiNbO3 waveguide modulators in terms of bandwidth and driving voltage. With respect to standard single-domain structures, larger bandwidths and lower driving voltages can be obtained, thus achieving figure of merits for the electro-optic response that are up to 50% larger. As a demonstration, a chirp-free modulator, having ~2V switching voltage and bandwidth of 15 GHz, was fabricated by placing the waveguide arms of a Mach-Zehnder interferometer in opposite do- main oriented regions. The modulator could be driven in a single-drive configuration with inexpensive low-voltage drivers, e.g. a SiGe based RF amplifier, typically used for electro-absorption devices.
A further aspect of this work focuses on the development of devices for the precise measurement of strong electric fields, which are typically generated in power stations and transmission lines. Therefore, two new integrated electric field sensors are proposed, each of which exploits the aforementioned micro-fabrication techniques. The first device is based on a proton-exchange waveguide at cut-off, centered on a few microns wide domain-inverted region in a z-cut LiNbO3 substrate. The sensor’s performance is demonstrated by detecting DC fields up to 2.6 MV/m and high-frequency (1.1 GHz) fields ranging from 19 V/m to 23 kV/m. The second proposed device is fabricated by direct bonding a z-cut LiNbO3 substrate on top of a cut-off proton-exchanged waveguide centered on the domain-inverted region. It is possible to detect electric fields as high as 2 MV/m at low frequency with improved sensitivity compared to the previous device. These features make the devices suitable for use in high electric field and harsh conditions without endangering the operator. The conclusions section of the Thesis presents possible future developments which will contribute to increase the impact of the work in the optical telecommunication and sensing industries.
After a brief introduction, the second chapter describes the basic properties of the material used in the thesis work: Lithium Niobate (LiNbO3). This includes the properties related to its ferroelectric crystal structure and the subsequent applications. Chapter three presents the micro-fabrication techniques, over 3 inch LiNbO3 wafers, developed at ICFO during this work. The chapter begins with a description of waveguides fabrication by Annealed Proton Exchange (APE). The mid-part of the chapter outlines the fabrication procedure for domain inversion using electric field poling technique and liquid electrodes while the last part describes the bonding technique to permanently join LiNbO3 with different substrates, namely Si, SiO2 and another LiNbO3. Moreover, lapping and polishing techniques for thin plate fabrication are presented. The forth chapter firstly introduces the
fundamentals and main characteristics of travelling-wave LiNbO3 Mach-Zehnder modulators. Secondly, a new modulator design is proposed. It is based on domain inverted LiNbO3, with improved performance with respect to existing devices. The modulator characterization and the results obtained from the new design are presented. The chapter five begins with a literature review about DC and low frequency electric field optical sensors. Afterwards, two novel all-optical electric field sensors are presented. Both devices are based on a proton-exchange, domain inversion and bonding techniques. The sensors characterization, including the test set-up and the performance results are discussed. Finally, in chapter six, several conclusions on the thesis work and possible future work directions are presented.

Uno de los materiales que permite el avance de la tecnología de dispositivos ópticos integrados es el niobato de litio (LiNbO3). Se trata de un cristal ferro-eléctrico, con excelentes propiedades electro-ópticas, acusto-ópticas y no lineales. Además, es posible fabricar guías de onda de bajas pérdidas mediante las técnicas de intercambio protónico (PE) y difusión de titanio.
El objetivo principal de este trabajo es el desarrollo y la introducción tanto de las técnicas avanzadas de micro-nano fabricación para el niobato de litio como de nuevos dispositivos ópticos integrados para las comunicaciones ópticas y la detección de campo eléctricos de alto voltaje.
La técnicas de fabricación desarrolladas incluyen inversión de dominios mediante la técnica de poling de alto voltaje, grabado, bonding y capas delgadas.
Desde el punto de vista de los dispositivos, la inversión de dominios ha sido utilizada para mejorar la respuesta electro-óptica de los moduladores en LiNbO3 en términos de ancho de banda (BW) y voltaje de control (Vπ). En comparación con los moduladores comerciales actuales de un único dominio, con esta técnica es posible obtener mayores anchos de banda y menores voltajes de control resultando en un aumento del 50% del producto BW·Vπ. Para demonstrar la eficacia de la técnica desarrollada, se ha fabricado un modulador Mach-Zehnder chirp-free poniendo los brazos del interferómetro en dos regiones de dominios opuestos. De las mediciones efectuadas se han obtenidos valores de voltaje de control de 2V y ancho de banda de 15 GHz. Estos resultados muestran que los dispositivos desarrollados pueden reducir el coste total de funcionamiento, ya que permiten el uso de controladores económicos de Si-Ge que operan en el rango de los 2V.
Otro aspecto de este trabajo se enfoca en el desarrollo de dispositivos para medir, de forma exacta, altos campos eléctricos, que normalmente son generados en las centrales eléctricas y en las líneas de transmisión. Por este motivo, se han desarrollado dos sensores de campo eléctrico mediante las técnicas de micro-fabricación anteriormente mencionadas. El primer dispositivo está basado en una guía fabricada mediante intercambio protónico en LiNbO3 z-cut, diseñada a la frecuencia de corte y centrada en una región de dominio invertido de 10 micras de ancho y 10mm de largo. El rendimiento del dispositivo se ha demostrado detectando campos a baja frecuencia con amplitudes de hasta 2.6MV/m y campos a la frecuencia de 1.1GHz con amplitudes desde 19V/m hasta 23kV/m. El segundo dispositivo se ha fabricado mediante bonding directo de un sustrato de LiNbO3 encima de una guía PE diseñada a la frecuencia de corte y centrada en una región de dominio invertido de 10 micras de ancho y 10mm de largo. El dispositivo se ha caracterizado a baja frecuencia y ha sido posible medir campos eléctricos de hasta 2MV/m con un aumento de sensibilidad comparado con el primer dispositivo fabricado sin la técnica del bonding. Estos resultados muestran que los dispositivos desarrollados pueden ser utilizados para mediciones de campos eléctricos intensos en condiciones peligrosas sin ningún riesgo para el operador.
Después de una breve introducción en el Capítulo 1 de esta Tesis, las propiedades del LiNbO3 se discuten en el Capítulo 2, prestando especial atención a sus características ópticas y electro-ópticas. El Capítulo 3 presenta las técnicas de micro fabricación desarrolladas durante este trabajo sobre sustratos de 3 pulgadas. En particular, se presentan las técnicas de fabricación de guías mediante intercambio protónico, de inversión de dominios mediante poling de alto voltaje, de bonding de LiNbO3 con diferentes sustratos (LiNbO3 , SiO2, Si) y la fabricación de capas delgadas. El Capítulo 4 ofrece una introducción sobre los moduladores interferométricos Mach-Zehnder de onda propagada, presentando sus principales características. Además se presenta una nueva estructura de modulador basada sobre inversión de dominios y los resultados obtenidos. El Capítulo 5 empieza con una introducción sobre los sensores de campo eléctrico y después se presentan dos nuevos sensores de campo eléctrico completamente ópticos fabricados en LiNbO3 z-cut. Los dispositivos están basados en las técnicas de intercambio protónico, inversión de dominios y bonding directo. Finalmente, en el Capítulo 6 se presentan las conclusiones y posibles desarrollos futuros que pueden contribuir al aumento del impacto de este trabajo en las industrias de comunicaciones ópticas y de detección.