近日，清华大学材料学院李千副教授团队与电子工程系孙长征教授团队合作，在薄膜钛酸钡电光调制器领域取得突破性进展。研究团队提出自缓冲层应变工程策略，成功解决了高性能钛酸钡薄膜在理想衬底上外延生长的技术难题。
这一研究不仅为人工智能时代对算力的巨大需求提供了新的解决方案，也为集成光子器件的未来发展开辟了新路径。
研究背景
随着人工智能技术的迅猛发展，对计算能力的需求呈现指数级增长。传统的晶体管微缩技术已逐渐接近物理极限，集成光子器件成为数据通信与计算技术的重要发展方向。
电光调制器作为实现电光信息转换的关键器件，其性能直接影响整个光通信系统的效率。目前市场上的电光调制器主要基于硅光、磷化铟、铌酸锂等材料平台。
然而这些材料的电光效应相对较弱，难以同时满足低驱动电压和高集成密度的双重发展目标。
材料突破
钛酸钡以其卓越的电光响应特性被认为是极具潜力的集成光子材料，但其外延生长一直面临重大挑战。
李千团队创新性地提出了自缓冲层应变工程策略，在低折射率LaAlO3-Sr2TaAlO6衬底上制备出高性能钛酸钡外延薄膜。
这项技术的核心在于巧妙利用钛酸钡与衬底之间的晶格失配，通过精准控制沉积工艺，在薄膜生长初期形成具有周期性位错成核位点的自缓冲层。
性能跃升
经过这一创新工艺制备的钛酸钡薄膜，其有效线性电光系数高达253pm/V，达到传统铌酸锂薄膜的8倍以上。
团队不仅提升了薄膜的电光性能，还成功将居里温度从块体材料的120°C提高至200°C。这一突破性进展显著增强了薄膜的热稳定性和工艺兼容性，为后续微纳加工奠定了坚实基础。
材料的稳定性提升意味着在实际应用中能够承受更严苛的工作环境，为高性能集成光子器件的大规模制备扫清了障碍。
技术原理
通过电镜表征和相场模拟，研究团队揭示了自缓冲层应变工程策略背后的科学机制。
自缓冲层诱导上层薄膜产生横向周期性应变调制，稳定出多相畴结构，在畴壁附近形成包含正交相和四方相极化纳米区域的过渡区。
这种特殊结构类似于铁电材料中的多晶型相界效应，通过四方相与正交相的耦合作用促进局部极化旋转，从而显著增强薄膜的电光响应。
器件实现
基于这一高性能钛酸钡薄膜，研究团队与电子工程系合作开发了基于马赫-曾德尔干涉仪结构的电光调制器原型芯片。
该器件采用SiN加载条形波导设计，实现了高效光场束缚，约45%的光场强度集中于钛酸钡层。
在C波段1550nm波长下，芯片表现出卓越性能：半波电压长度积仅为0.7V·cm，6dB电光带宽达到28GHz，反射参数S11约-15dB，阻抗匹配良好。
应用前景
这项研究成果为高性能薄膜钛酸钡集成光子器件的发展提供了可靠的新途径。
研究团队创新性地将材料设计、工艺优化与器件工程紧密结合，实现了电光调制器在调制效率与响应带宽方面的双重突破。
随着人工智能、数据中心和高速通信系统的快速发展，对高性能电光调制器的需求日益迫切。这项技术有望在光通信、光计算和量子信息处理等领域发挥重要作用。
当传统材料遭遇性能瓶颈时，清华大学的这项研究为整个光电子行业指明了一条新路径。钛酸钡薄膜在实验室中展示的电光系数比传统材料高出8倍，这个数字背后是无数次失败的沉积试验和精准的应变调控。
随着人工智能对算力需求的指数级增长，这种能够同时实现低驱动电压和高集成密度的电光调制器技术，正在为下一代数据中心和计算架构铺平道路。而这一切，都始于一片只有纳米级厚度的自缓冲层。
