清華新聞網(wǎng)1月4日電 人工智能技術(shù)的發(fā)展對(duì)算力提出巨大需求，隨著晶體管微縮接近物理極限，集成光子器件成為數(shù)據(jù)通信與計(jì)算技術(shù)的重要發(fā)展方向。電光調(diào)制器是實(shí)現(xiàn)電光信息轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，目前主要基于硅光、磷化銦、鈮酸鋰等材料平臺(tái)，但這些材料的電光效應(yīng)較弱，難以同時(shí)滿(mǎn)足低驅(qū)動(dòng)電壓和高集成密度的發(fā)展目標(biāo)。鈦酸鋇（BaTiO3）因卓越的電光響應(yīng)被認(rèn)為是最具潛力的集成光子材料之一，但其外延生長(zhǎng)面臨挑戰(zhàn)：采用低折射率襯底有利于增強(qiáng)光場(chǎng)束縛，卻因晶格失配而導(dǎo)致薄膜晶體質(zhì)量和電光性能下降，目前BaTiO3薄膜的電光系數(shù)仍顯著低于體材料水平。
近日，清華大學(xué)材料學(xué)院李千副教授團(tuán)隊(duì)提出自緩沖層應(yīng)變工程策略，在低折射率LaAlO3-Sr2TaAlO6（LSAT）襯底上制備出高性能BaTiO3外延薄膜，獲得了253pm/V的有效線(xiàn)性電光系數(shù)（為鈮酸鋰薄膜的8倍以上），并同時(shí)將居里溫度提升至200°C（塊體值為120°C）。在此基礎(chǔ)上，李千副教授團(tuán)隊(duì)與電子工程系孫長(zhǎng)征教授團(tuán)隊(duì)合作，開(kāi)發(fā)了基于BaTiO3/LSAT薄膜的電光調(diào)制器芯片，其關(guān)鍵性能參數(shù)半波電壓長(zhǎng)度積和6dB電光響應(yīng)帶寬分別達(dá)到0.7V·cm和28GHz。
圖1.自緩沖層BaTiO3薄膜的顯微結(jié)構(gòu)和電光性能表征
這一材料設(shè)計(jì)策略利用BaTiO3與LSAT之間的晶格失配，通過(guò)控制沉積工藝在薄膜生長(zhǎng)初期形成自緩沖層，其中包括周期性位錯(cuò)成核位點(diǎn)，進(jìn)而誘導(dǎo)上層薄膜產(chǎn)生橫向周期性應(yīng)變調(diào)制。電鏡表征和相場(chǎng)模擬表明，這一應(yīng)變狀態(tài)可以穩(wěn)定出多相疇結(jié)構(gòu)，在疇壁附近形成過(guò)渡區(qū)，其中包含正交相和四方相的極化納米區(qū)域。這一結(jié)構(gòu)特征類(lèi)似鐵電材料中的多晶型相界效應(yīng)，四方相與正交相的耦合作用促進(jìn)局部極化旋轉(zhuǎn)，從而增強(qiáng)了薄膜電光響應(yīng)?；赟énarmont方法的電光測(cè)試顯示，薄膜在[110]方向面內(nèi)電場(chǎng)下的有效線(xiàn)性電光系數(shù)高達(dá)253pm/V，相較于常規(guī)的BaTiO3/LSAT薄膜提升了約45%。此外，上述多相疇結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出較高的結(jié)構(gòu)魯棒性和熱穩(wěn)定性，將薄膜的居里溫度提高至200°C。這對(duì)改善BaTiO3薄膜的微納工藝兼容性具有重要意義。
LSAT襯底以其低折射率與大尺寸等固有優(yōu)勢(shì)，為集成光子器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。依托高性能BaTiO3薄膜，團(tuán)隊(duì)研制出一種基于馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x（MZI）的電光調(diào)制器原型芯片。該器件采用SiN加載條形波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)高效光場(chǎng)束縛，約45%光場(chǎng)強(qiáng)集中于BaTiO3層，GSG與GS電極分別用于射頻信號(hào)加載和直流偏置控制。在C波段1550nm波長(zhǎng)下，芯片半波電壓長(zhǎng)度積VπL=0.7V·cm，6dB電光帶寬達(dá)28GHz，反射參數(shù)S11約-15dB，阻抗匹配良好。與此前報(bào)道的同類(lèi)型BaTiO3調(diào)制器相比，該器件在調(diào)制效率與響應(yīng)帶寬方面均展現(xiàn)出顯著競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
圖2.BaTiO3薄膜MZI電光調(diào)制器芯片的設(shè)計(jì)和性能測(cè)試
這一工作結(jié)合材料設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提升了鈦酸鋇薄膜的綜合電光性能，并研制出具有高調(diào)制效率、高響應(yīng)帶寬的電光調(diào)制器芯片，為高性能薄膜鈦酸鋇集成光子器件的發(fā)展提供了新途徑。
研究成果以“自緩沖層外延鈦酸鋇薄膜實(shí)現(xiàn)高性能電光調(diào)制器”（Self-buffered epitaxy of barium titanate on oxide insulators enables high-performance electro-optic modulators）為題，于1月2日在線(xiàn)發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）。
清華大學(xué)材料學(xué)院博士后鄧晨光、電子工程系2021級(jí)博士生賀雨童為論文共同第一作者，材料學(xué)院副教授李千與電子工程系教授孫長(zhǎng)征為論文共同通訊作者。論文其他重要合作者包括清華大學(xué)羅毅院士、周濟(jì)院士、李敬鋒教授、于榮教授、熊兵副教授、馬靜副教授，浙江大學(xué)洪子健研究員、吳勇軍教授等。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目、區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金等的資助，以及綜合極端條件實(shí)驗(yàn)裝置的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41377-025-02081-9
供稿：材料學(xué)院
圖片設(shè)計(jì)：李秦圩
編輯：李華山
審核：郭玲
