Rb-doped KTiOPO₄ (RKTP), a ferroelectric ionic conductor is a promising nonlinear optical material for engineering periodic ferroelectric domains for nonlinear optical frequency conversion via quasi-phase-matching (QPM) technique. The performance of the QPM device relies on the quality of the engineered periodic domains. One of the most reliable methods to achieve high aspect-ratio domains is based on using ion-exchange (IE) to engineer the coercive field (E_c) in RKTP. Recently, this technique has allowed demonstration of periods in the sub-µm range, a challenging feat to achieve with conventional metal electrode periodic poling. Despite its promising potential, the study of E_c engineering is still in its infancy stage. A deeper understanding of the interaction between IE and polarization switching dynamics is crucial for fully exploiting this technique. This thesis explores the engineering of E_c in RKTP through IE processes for ferroelectric domain engineering. It focuses on two primary IE methods in RKTP using: monovalent rubidium (Rb⁺) and divalent barium (Ba²⁺) ions. These two ion species, with different charge numbers and ionic radii, play distinctive roles in enhancing the E_c in RKTP through different mechanisms. 

By comparing the switching time of Rb-exchanged and Ba-exchanged samples — where a higher switching time corresponds to a higher E_c — the induced E_c from these two types of IE can be compared systematically. Their distinct difference in polarization switching properties calls for the use of different techniques to effectively probe and analyze these two types of exchanges. Raman spectroscopy is employed to examine the microstructural changes induced by Rb-exchange in RKTP crystals, revealing that in diffused Rb⁺ has impact on the octahedral TiO₆ and tetrahedral PO₄ groups. Additionally, time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS) measurements are conducted under in-situ heating conditions to understand the dynamics of IE process. Although ToF-SIMS measurements show some of the fundamental differences between the two IE processes, in order to further understand the behavior of Ba-exchange, band excitation piezoresponse force microscopy (BE-PFM) is employed to probe polarization switching properties in Ba-exchanged samples at the nanoscale. 

Using Rb-exchange, we achieve periodic poling with 3.43 μm QPM period in a 3 mm thick periodically-poled RKTP crystal, marking the shortest period attained for an aperture larger than the standard 1 mm thick crystal. Additionally, by integrating Ba-exchange for periodic poling with a post-poling Rb-exchange process, we have preliminary developed waveguide device through independent engineering of both the coercive field and refractive index on a single platform. These devices showcase the versatility of these ion-exchange techniques and push the boundaries of current QPM devices.

Rb-dopad KTiOPO₄, ett ferroelektriskt jonledare är ett lovande ickelinjärt optiskt material för att konstruera periodiska ferroelektriska domäner för frekvenskonvertering via kvasi-fasmatchningsteknik (QPM). Prestandan hos QPM-komponenten är beroende av kvaliteten på de konstruerade periodiska domänerna och nyligen rapporterades det som en av de mest pålitliga metoderna för att uppnå domäner med hög bildförhållande. Det är baserat på att använda jonutbyte för att modifiera koercitivfältet för RKTP. Denna nya metod har tillåtit demonstration av periodiska domäner i sub-µm-området, vilket möjliggör många intressanta ickelinjära optiska fenomen som ännu inte har demonstrerats med andra ferroelektriska material. I början av detta arbete var den underliggande fysiken för koercitivfält dåligt förstådd.  En djupare förståelse för interaktionen mellan jonbyte och polningsdynamik är avgörande för att fullt ut kunna utnyttja denna teknik för konstruktion av nya QPM-komponenter. Denna avhandling undersöker tekniker för kontroll av koercitivfältet genom jonbytesprocesser för ferroelektrisk domänteknik. Den studerar två primära jonbytesmetoder i RKTP: monovalent rubidium (Rb⁺) och tvåvärt barium (Ba²⁺) joner. Dessa två jonarter, med olika laddningsnummer och jonradier, spelar distinkta roller för att förstärka koercitivfältet i RKTP genom olika mekanismer. Olika tekniker används för att utföra dessa studier.

Växlingen av polarisationen karaktäriseras i bulk hos Rb- och Ba-utbytt RKTP. Genom att undersöka switchtiden kan det inducerade koercitivfältet från dessa två typer av jonutbyte jämföras systematiskt, där en högre switchtid motsvarar ett högre koercitivfält. Ramanspektroskopi används för att undersöka de mikrostrukturella förändringarna som induceras av Rb-utbytet i RKTP-kristaller. Denna teknik avslöjar att indiffuserat Rb⁺ har inverkan på de oktaedriska TiO₆- och tetraedriska PO₄-grupperna. Dessutom utförs time-of-flight sekundär jonmasspektrometri (ToF-SIMS) mätningar under in-situ uppvärmningsförhållanden för att förstå dynamiken i jonbytesprocessen.  För att ytterligare förstå beteendet hos Ba-exchange, används bandexcitation piezoresponse force microscopy (BE-PFM) för att undersöka egenskaper hos växlingen av polarisationen i Ba-utbytta prover på nanoskala. Mätningarna avslöjar att Ba-utbytet ökar den lokala jonkonduktiviteten, vilket effektivt screenar polarisationsväxling och gör domänkärnbildning mer energiskt kostsam. Från jämförelsen och observationerna från Raman och BE-PFM blir det uppenbart att mekanismerna för att inducera koercitivfältet av dessa två typer av joner är mycket olika.

Båda teknikerna används för att demonstrera högeffektiva QPM-komponenter. Genom att kombinera Ba-utbyte för periodisk polning, och en post-poling Rb-utbytesprocess, visar vi vågledare med oberoende kontroll av koercitivfält och brytningsindex. 

KTiOPO₄ (KTP) is a ferroelectric nonlinear optical material which is transparent within the visible and infrared wavelengths. Its high anisotropy along the polar axis makes this material advantageous over other materials such as lithium niobate, lithium tantalate or gallium arsenide, for high aspect ratio and short period quasi-phase matching (QPM) domain gratings. Developments in doping via ion exchange have enabled the modulation of the materials coercive field (Ec). This has brought the engineering of domain gratings in KTP into the sub-µm regime, enabling a host of processes which before were only theoretical.  In this work we bring new developments in the field of coercive field engineering and ion-exchange in KTP. We demonstrate a new Ec engineering method, based on Ba-doping, which has a negligible effect on the refractive index and induced stress in the KTP crystal contrary to the previously established Rb-doping based Ec engineering method. We investigate the two differing mechanisms of Ec modulation of these two methods, showing the effect of charge screening through the vacancy injection of Ba-ions, and the the conduction path blocking properties of Rb-ions. We compare the degree of Ec  modulation for different dopant concentrations of Rb and Ba, through switching time measurements, and determine the transition point between the two Ec modulation mechanisms. Further, we explore the diffusion dynamics of mixed Rb/K/Ba dopant systems during both diffusion and subsequent annealing, to characterize the non-classical diffusion gradients observed in diffused channel waveguides in KTP. Finally, we apply coercive field engineering in designing and fabricating a switchable QPM device for electrical-optical integration. This work brings new understanding and new applications to KTP and shows the path forward towards high-aspect ratio integrable, multifunctional, tailored QPM devices.

KTiOPO₄ (KTP) är ett ferroelektriskt icke-linjärt optiskt material som är transparent inom både synliga och infraröda våglängder. Dess höga anisotropi längs polära axeln gör detta material fördelaktigt jämfört med andra material såsom litiumniobat, litiumtantalat eller galliumarsenid, för höga aspektförhållanden och kortperiodiska kvasi-fasmatchningsdomäner (QPM). Utvecklingen inom dopning via jonbyte har möjliggjort modulering av materialets koercisiva fält (Ec). Detta har fört QPM-domängitter i KTP in i subμm-regimen, vilket i sin tur har möjliggjort en rad processer som tidigare endast var teoretiska. I detta arbete presenterar vi nya utvecklingar inom Ec-modulering och jonutbyte i KTP. Vi demonstrerar en ny metod för Ec-modulering, baserad på Ba-dopning, som har en försumbar effekt på brytningsindex och inducerad stress i KTP-kristallen, till skillnad från den sedan tidigare etablerade Rbdopingbaserade metoden för Ec-modulering. Vi undersöker de två olika mekanismerna för Ec-modulering för dessa metoder, och visar effekten av elekrisk skärmning genom vakansinjektion av Ba-joner, samt ledningsvägsblockerande egenskaper hos Rb-joner. Vi jämför graden av Ecmodulering för olika dopantkoncentrationer av Rb och Ba, genom mätningar av domänväxlingstid, och bestämmer övergångspunkten mellan de två mekanismerna för Ec-modulation. Vidare utforskar vi diffusionsdynamiken hos blandade Rb/K/Ba-dopantsystem under både diffusion och efterföljande värmebehandling, för att karakterisera de icke-klassiska diffusionsgradienterna som observeras i diffusa kanalvågledare i KTP. Slutligen tillämpar vi Ec-modulering för design och tillverkning av en binärt styrbar QPM-enhet för elektrisk-optisk integration. Detta arbete tillför ny förståelse och nya tillämpningar till KTP och visar vägen framåt mot integrerbara och multifunktionella skräddarsydda QPM-enheter.