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4月22日，《科學(xué)》期刊在線(xiàn)發(fā)表了西安交通大學(xué)在高性能電光晶體方面的最新研究成果——《具有超高電光效應的鐵電單晶使電光開(kāi)關(guān)小型化》（Ferroelectric crystals with giant electro-optic property enabling ultracompact Q-switches）。
電光晶體是電光調制器、電光開(kāi)關(guān)、電控光束偏折器等重要電光器件中的核心關(guān)鍵材料，廣泛應用于光纖陀螺、激光雷達、量子通信等前沿技術(shù)領(lǐng)域。目前，電光器件小型化、輕量化、集成化、低驅動(dòng)電壓和低功耗的發(fā)展趨勢，對晶體的電光性能提出了更高的要求。
以鈦酸鉛基弛豫鐵電體為代表的鈣鈦礦鐵電單晶，通過(guò)工程疇設計可具有優(yōu)異的電光性能，它們的一次電光系數可達200pm/V以上，比鈮酸鋰（LiNbO3）、磷酸二氘鉀（DKDP）等傳統電光晶體高出一個(gè)數量級，在電光領(lǐng)域展現出了十分誘人的應用前景。然而，工程疇鐵電單晶中往往存在對光起散射作用的鐵電疇壁，顯著(zhù)地削弱了晶體透光性，難以同時(shí)獲得高透光率和高電光性能。此外，這類(lèi)鐵電疇壁在外電場(chǎng)下容易移動(dòng)，影響了電光性能的穩定性，因而限制了工程疇結構鐵電晶體在電光領(lǐng)域的應用。
a.PIN-PMN-PT單晶電光系數與其他晶體的對比，左上圖為PIN-PMN-PT晶體照片；
b.基于PIN-PMN-PT單晶研制的電光調Q開(kāi)關(guān)，作為對比，圖中給出了商用DKDP單晶和鈮酸鋰單晶電光開(kāi)關(guān)照片和工作電壓。
針對上述問(wèn)題，西安交通大學(xué)徐卓和李飛教授研究團隊與哈爾濱工業(yè)大學(xué)、澳大利亞伍倫貢大學(xué)、蘇州大學(xué)、新南威爾士大學(xué)等單位合作，在鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PIN-PMN-PT)弛豫鐵電單晶中，通過(guò)晶體切型、晶體組分和極化工藝的協(xié)同設計，獲得了理想的層狀疇結構。該疇結構既保留了能夠使[011]取向晶體具有高電光效應的710鐵電疇壁，同時(shí)又消除了晶體中對光有散射作用的1090鐵電疇壁。使PIN-PMN-PT弛豫鐵電單晶一次電光系數r33達到了900pm/V，是目前鈮酸鋰電光晶體的30倍以上；晶體透光率可達99.6%（鍍增透膜樣品）。研究團隊利用PIN-PMN-PT弛豫鐵電單晶研制了新型電光調Q開(kāi)關(guān)，在輸出光能量、光脈沖寬度等性能指標與商用DKDP和LiNbO3晶體電光開(kāi)光相當的情況下，PIN-PMN-PT單晶電光開(kāi)關(guān)的尺寸和驅動(dòng)電壓得到了大幅降低。
這項研究工作為弛豫鐵電單晶應用于電光技術(shù)領(lǐng)域邁出了堅實(shí)的一步。除了低驅動(dòng)電壓、小型化電光開(kāi)關(guān)以外，PIN-PMN-PT晶體還有望推動(dòng)其他諸多高性能電光器件的研制，包括新型高速光學(xué)相控陣、電控光束掃描器、光纖陀螺中的小型電光調制器、頻率轉換器件、自動(dòng)駕駛激光雷達等。
西安交通大學(xué)為該論文的第一單位，論文第一作者為西安交大電信學(xué)部電子學(xué)院劉鑫博士后和哈爾濱工業(yè)大學(xué)譚鵬副教授。西安交通大學(xué)李飛教授、哈爾濱工業(yè)大學(xué)田浩教授和澳大利亞伍倫貢大學(xué)張樹(shù)君教授為論文通訊作者。西安交通大學(xué)徐卓和魏曉勇教授、蘇州大學(xué)許彬教授、新南威爾士大學(xué)王丹陽(yáng)教授、美國賓夕法尼亞州立大學(xué)陳龍慶教授等為論文共同作者。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、西安交通大學(xué)青年拔尖人才計劃等項目的支持。
