材料学院李千、电子系孙长征团队合作在薄膜钛酸钡电光调制器领域取得新进展
清华新闻网1月4日电 人工智能技术的发展对算力提出巨大需求，随着晶体管微缩接近物理极限，集成光子器件成为数据通信与计算技术的重要发展方向。电光调制器是实现电光信息转换的关键器件，目前主要基于硅光、磷化铟、铌酸锂等材料平台，但这些材料的电光效应较弱，难以同时满足低驱动电压和高集成密度的发展目标。钛酸钡（BaTiO3）因卓越的电光响应被认为是最具潜力的集成光子材料之一，但其外延生长面临挑战：采用低折射率衬底有利于增强光场束缚，却因晶格失配而导致薄膜晶体质量和电光性能下降，目前BaTiO3薄膜的电光系数仍显著低于体材料水平。
近日，清华大学材料学院李千副教授团队提出自缓冲层应变工程策略，在低折射率LaAlO3-Sr2TaAlO6（LSAT）衬底上制备出高性能BaTiO3外延薄膜，获得了253pm/V的有效线性电光系数（为铌酸锂薄膜的8倍以上），并同时将居里温度提升至200°C（块体值为120°C）。在此基础上，李千副教授团队与电子工程系孙长征教授团队合作，开发了基于BaTiO3/LSAT薄膜的电光调制器芯片，其关键性能参数半波电压长度积和6dB电光响应带宽分别达到0.7V·cm和28GHz。
图1.自缓冲层BaTiO3薄膜的显微结构和电光性能表征
这一材料设计策略利用BaTiO3与LSAT之间的晶格失配，通过控制沉积工艺在薄膜生长初期形成自缓冲层，其中包括周期性位错成核位点，进而诱导上层薄膜产生横向周期性应变调制。电镜表征和相场模拟表明，这一应变状态可以稳定出多相畴结构，在畴壁附近形成过渡区，其中包含正交相和四方相的极化纳米区域。这一结构特征类似铁电材料中的多晶型相界效应，四方相与正交相的耦合作用促进局部极化旋转，从而增强了薄膜电光响应。基于Sénarmont方法的电光测试显示，薄膜在[110]方向面内电场下的有效线性电光系数高达253pm/V，相较于常规的BaTiO3/LSAT薄膜提升了约45%。此外，上述多相畴结构展现出较高的结构鲁棒性和热稳定性，将薄膜的居里温度提高至200°C。这对改善BaTiO3薄膜的微纳工艺兼容性具有重要意义。
LSAT衬底以其低折射率与大尺寸等固有优势，为集成光子器件的结构设计与性能优化奠定了基础。依托高性能BaTiO3薄膜，团队研制出一种基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的电光调制器原型芯片。该器件采用SiN加载条形波导实现高效光场束缚，约45%光场强集中于BaTiO3层，GSG与GS电极分别用于射频信号加载和直流偏置控制。在C波段1550nm波长下，芯片半波电压长度积VπL=0.7V·cm，6dB电光带宽达28GHz，反射参数S11约-15dB，阻抗匹配良好。与此前报道的同类型BaTiO3调制器相比，该器件在调制效率与响应带宽方面均展现出显著竞争优势。
图2.BaTiO3薄膜MZI电光调制器芯片的设计和性能测试
这一工作结合材料设计和工艺优化提升了钛酸钡薄膜的综合电光性能，并研制出具有高调制效率、高响应带宽的电光调制器芯片，为高性能薄膜钛酸钡集成光子器件的发展提供了新途径。
研究成果以“自缓冲层外延钛酸钡薄膜实现高性能电光调制器”（Self-buffered epitaxy of barium titanate on oxide insulators enables high-performance electro-optic modulators）为题，于1月2日在线发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。
清华大学材料学院博士后邓晨光、电子工程系2021级博士生贺雨童为论文共同第一作者，材料学院副教授李千与电子工程系教授孙长征为论文共同通讯作者。论文其他重要合作者包括清华大学罗毅院士、周济院士、李敬锋教授、于荣教授、熊兵副教授、马静副教授，浙江大学洪子健研究员、吴勇军教授等。研究得到国家自然科学基金委基础科学中心项目、区域创新发展联合基金等的资助，以及综合极端条件实验装置的支持。
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