電光單晶元件、該元件的制造方法以及使用該元件的系統的制作方法
【專利說明】電光單晶元件、該元件的制造方法以及使用該元件的系統
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本申請涉及并要求2012年4月4日提交的美國臨時申請No. 61/686, 350和2013 年3月18日提交的美國臨時申請系列No. 61/802,796的優先權，這些申請的全部內容均以 引用方式全部并入本文。
[0003] 本公開所選的附圖
[0004] 圖 2A
【背景技術】
[0005] 技術領疇
[0006] 本發明涉及新型電光（E-O)晶體元件、其應用及制造方法。更具體而言，本發明涉 及在多種調變、通訊、激光和電光工業用途中顯示出有用的超高效（橫向和縱向）線性E-O 系數和極低半波電壓V π的E-O晶體元件。
[0007] 相關領疇的描述
[0008] 由于PMN-PT基鐵電弛豫晶體的超高的壓電性質（例如電應變，比傳統的壓電材料 高一個數量級）和超過90%的機電耦合系數，所以所述的晶體近來得到很好的發展。這些 晶體已經用于壓電應用中，特別用于聲傳導裝置，例如超聲成像和聲納換能器。沿〈〇11>極 化的PMN-PT和/或PZN-PT基晶體的完全各向異性壓電特征已經很好地記載。這些內容可 以記錄于申請人的早期公開中，這些文獻的內容以引用方式全部并入本文：
[0009] · P. Han，W. L. Yan，J. Tian，X. L. Huang，and Η· X. Pan. "Cut directions for the optimization of piezoelectric coefficients of lead magnesium niobate-lead titanate ferroelectric crystals"· Discovery of d36 shear mode,AppL Phys，Letter. 86, No. 1，2466，(2005) ;and
[0010] · P. Han，J. Tian，and W. Yan，"Bridgman growth and properties of PMN-PT single crystals，〃in Advanced dielectric, piezoelectric and ferroelectric mate rials: Synthesis,characterization and applications, Z. G. Yej Ed. , 1st Ed:ffoodhead Publishing Ltd.，2008,p. 600-632. (The summary of large-sized PMN-PT crystals growth by modified Bridgman method and characterizations).
[0011] 已經報道了上述沿〈001〉極化的和沿〈111〉極化的PMN-PT和PZN-PT鐵電晶體的 線性E-O效果，但是由于結果對于商業用途是無用的，所以沒有被鼓勵或推進。這些結果記 錄于以下公開中，這些文獻的全部內容同樣以引用方式全部并入本文。
[0012] 魯 Yu Lu, Ζ· Y. Cheng，S. E. Park，S，· F Liu and Q. M. "Zhang" I inear Electro-Optic effect of 0.88Pb(Znl/3Nb2/3)03 single crystal"，Jpn.JAppl.Phys Vol. 39 No. I, January, 2000.
[0013] · X. M. Wan, D. Y. Wang, X. Y. Zhao, Haosu Luoj H. L. ff. Chan and C.L. Choy.^Electro-Optic characterization of tetragonal(l~x)0b (Mgl/3Nb2/3) 03 single crystals by a method Senarmont Setup^Slid state communications Vol. 134547-551 (2005).
[0014] · L. S. Kamzina，Ruan Wei，G. Li, J. Zeng and A. Ding. "Electro-Optical properties of PMN-PT compounds: single crystals and transparent ferroelectric ceramics". Physics of solid state, Vol. 52. No. 102142-2146(2010). (Original Russian text).
[0015] 魯 Enwei Sun，Zhu Wang，Rui Zhang and Wenwu Cao. "Reduction of electro-optic half-wave voltage of0· 93Pb(ZnI/3Nb2/3)3-0.07PbTi03 single crystal through large piezoelectric strain".Optical Materials Vol.33.m 549-552(2011).
[0016] 主要原因是由多疇壁產生的光散射和沿〈111〉極化的單疇狀態的不穩定，并且所 有報道的工作都局限于PMN-PT或PZN-PT基固溶體的光學單軸晶體中。
[0017] 本發明的方面和概述
[0018] 本發明涉及在PMN-PT和PZN-PT基鐵電單晶材料中具有超有效的E-O系數γ c和 極低半波電壓Vji的E-O晶體元件。本發明給出了新的E-O晶體元件及具有有利優點的相 關E-O晶體裝置，其中所述的優點包括：
[0019] (1)優異的E-O性質和極低的半波電壓VJT ;
[0020] (2)-30 °C至IKTC的廣泛操作溫度；
[0021] (3)通過再極化能力而具有高度的可靠性；以及
[0022] (4)成本有效的制造方法。
[0023] 本發明能夠使所發明的E-O晶體元件作為新一代的E-O晶體元件在多種E-O晶體 裝置中具有商業用途。其特別用于E-O轉換、E-O相位調變、E-O振幅調變、激光束調變和光 學雙折射裝置。
[0024] 此外，本發明還涉及新型光電（E-O)晶體元件、其用途及制造方法。更具體而言， 本發明涉及在多種調變、通訊、激光和電光工業用途中顯示出有用的高效的橫向和縱向線 性E-O系數和極低半波電壓V π的E-O晶體元件。
[0025] 此外，本發明還涉及電光（E-O)晶體元件（其可以由摻雜的或未摻雜的PMN-PT、 PIN-PMN-PT或PZN-PT鐵電晶體制造），該晶體元件顯示出超高的線性E-O系數γ c (例如橫 向有效線性E-O系數γ Tc高于1100pm/V，而縱向有效線性E-O系數γ Ic至多達到527pm/ V)，這使得在多種調變、通訊、激光和工業用途中，得到低于200V的Vl π和低于87V的VT π 的極低的半波電壓。此外，本發明還記錄了所提出的晶體元件作為用于提供本發明所述結 果的手段是有操作性的，換言之，所提出的晶體元件為提供以下結果的手段：橫向有效線性 E-O系數yTc高于1100pm/V，而縱向有效的線性E-O系數γ Ic至多達到527pm/V，這使得 在可操作的構造之后，在包括所述的元件的產品、系統和儀器中，得到低于200V的Vl π和 低于87V的VT π的極低的半波電壓。
[0026] E-O單晶材料可以選自PMN-PT (鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛）、PIN-PMN-PT (鈮銦酸鉛-鈮 鎂酸鉛-鈦酸鉛）、PZN-PT (鈮鋅酸鉛-鈦酸鉛）或上述摻雜的晶體。本發明特別涉及可 再次極化的設計，即，向晶體中平行于極化方向〈〇11>施加電場。E-O晶體元件顯示：（1)橫 向有效線性E-O系數γ Tc高達350~1100pm/V (操作溫度為-30°C至85°C )，以及低于45V 的極低的半波電壓VTjt (1/d= 1);并且（2)縱向有效線性E-O系數γ Ic至多達280~ 800pm/V (操作溫度