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4月22日，《科學》期刊在線發表了西安交通大學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關小型化》（Ferroelectric crystals with giant electro-optic property enabling ultracompact Q-switches）。
電光晶體是電光調制器、電光開關、電控光束偏折器等重要電光器件中的核心關鍵材料，廣泛應用于光纖陀螺、激光雷達、量子通信等前沿技術領域。目前，電光器件小型化、輕量化、集成化、低驅動電壓和低功耗的發展趨勢，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，通過工程疇設計可具有優異的電光性能，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數量級，在電光領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，顯著地削弱了晶體透光性，難以同時獲得高透光率和高電光性能。此外，這類鐵電疇壁在外電場下容易移動，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開關，作為對比，圖中給出了商用DKDP單晶和鈮酸鋰單晶電光開關照片和工作電壓。
針對上述問題，西安交通大學徐卓和李飛教授研究團隊與哈爾濱工業大學、澳大利亞伍倫貢大學、蘇州大學、新南威爾士大學等單位合作，在鈮銦酸鉛-鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛(PIN-PMN-PT)弛豫鐵電單晶中，通過晶體切型、晶體組分和極化工藝的協同設計，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開關，在輸出光能量、光脈沖寬度等性能指標與商用DKDP和LiNbO3晶體電光開光相當的情況下，PIN-PMN-PT單晶電光開關的尺寸和驅動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領域邁出了堅實的一步。除了低驅動電壓、小型化電光開關以外，PIN-PMN-PT晶體還有望推動其他諸多高性能電光器件的研制，包括新型高速光學相控陣、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、自動駕駛激光雷達等。
西安交通大學為該論文的第一單位，論文第一作者為西安交大電信學部電子學院劉鑫博士后和哈爾濱工業大學譚鵬副教授。西安交通大學李飛教授、哈爾濱工業大學田浩教授和澳大利亞伍倫貢大學張樹君教授為論文通訊作者。西安交通大學徐卓和魏曉勇教授、蘇州大學許彬教授、新南威爾士大學王丹陽教授、美國賓夕法尼亞州立大學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基金、國家重點研發計劃、西安交通大學青年拔尖人才計劃等項目的支持。
