【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，清華大學(xué)材料學(xué)院李千副教授團隊與電子工程系孫長征教授團隊合作，在薄膜鈦酸鋇電光調(diào)制器領(lǐng)域取得突破性進展。研究團隊提出自緩沖層應(yīng)變工程策略，成功解決了高性能鈦酸鋇薄膜在理想襯底上外延生長的技術(shù)難題。
這一研究不僅為人工智能時代對算力的巨大需求提供了新的解決方案，也為集成光子器件的未來發(fā)展開辟了新路徑。
研究背景
隨著人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展，對計算能力的需求呈現(xiàn)指數(shù)級增長。傳統(tǒng)的晶體管微縮技術(shù)已逐漸接近物理極限，集成光子器件成為數(shù)據(jù)通信與計算技術(shù)的重要發(fā)展方向。
電光調(diào)制器作為實現(xiàn)電光信息轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件，其性能直接影響整個光通信系統(tǒng)的效率。目前市場上的電光調(diào)制器主要基于硅光、磷化銦、鈮酸鋰等材料平臺。
然而這些材料的電光效應(yīng)相對較弱，難以同時滿足低驅(qū)動電壓和高集成密度的雙重發(fā)展目標(biāo)。
材料突破
鈦酸鋇以其卓越的電光響應(yīng)特性被認為是極具潛力的集成光子材料，但其外延生長一直面臨重大挑戰(zhàn)。
李千團隊創(chuàng)新性地提出了自緩沖層應(yīng)變工程策略，在低折射率LaAlO3-Sr2TaAlO6襯底上制備出高性能鈦酸鋇外延薄膜。
這項技術(shù)的核心在于巧妙利用鈦酸鋇與襯底之間的晶格失配，通過精準(zhǔn)控制沉積工藝，在薄膜生長初期形成具有周期性位錯成核位點的自緩沖層。
性能躍升
經(jīng)過這一創(chuàng)新工藝制備的鈦酸鋇薄膜，其有效線性電光系數(shù)高達253pm/V，達到傳統(tǒng)鈮酸鋰薄膜的8倍以上。
團隊不僅提升了薄膜的電光性能，還成功將居里溫度從塊體材料的120°C提高至200°C。這一突破性進展顯著增強了薄膜的熱穩(wěn)定性和工藝兼容性，為后續(xù)微納加工奠定了堅實基礎(chǔ)。
材料的穩(wěn)定性提升意味著在實際應(yīng)用中能夠承受更嚴(yán)苛的工作環(huán)境，為高性能集成光子器件的大規(guī)模制備掃清了障礙。
技術(shù)原理
通過電鏡表征和相場模擬，研究團隊揭示了自緩沖層應(yīng)變工程策略背后的科學(xué)機制。
自緩沖層誘導(dǎo)上層薄膜產(chǎn)生橫向周期性應(yīng)變調(diào)制，穩(wěn)定出多相疇結(jié)構(gòu)，在疇壁附近形成包含正交相和四方相極化納米區(qū)域的過渡區(qū)。
這種特殊結(jié)構(gòu)類似于鐵電材料中的多晶型相界效應(yīng)，通過四方相與正交相的耦合作用促進局部極化旋轉(zhuǎn)，從而顯著增強薄膜的電光響應(yīng)。
器件實現(xiàn)
基于這一高性能鈦酸鋇薄膜，研究團隊與電子工程系合作開發(fā)了基于馬赫-曾德爾干涉儀結(jié)構(gòu)的電光調(diào)制器原型芯片。
該器件采用SiN加載條形波導(dǎo)設(shè)計，實現(xiàn)了高效光場束縛，約45%的光場強度集中于鈦酸鋇層。
在C波段1550nm波長下，芯片表現(xiàn)出卓越性能：半波電壓長度積僅為0.7V·cm，6dB電光帶寬達到28GHz，反射參數(shù)S11約-15dB，阻抗匹配良好。
應(yīng)用前景
這項研究成果為高性能薄膜鈦酸鋇集成光子器件的發(fā)展提供了可靠的新途徑。
研究團隊創(chuàng)新性地將材料設(shè)計、工藝優(yōu)化與器件工程緊密結(jié)合，實現(xiàn)了電光調(diào)制器在調(diào)制效率與響應(yīng)帶寬方面的雙重突破。
隨著人工智能、數(shù)據(jù)中心和高速通信系統(tǒng)的快速發(fā)展，對高性能電光調(diào)制器的需求日益迫切。這項技術(shù)有望在光通信、光計算和量子信息處理等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
當(dāng)傳統(tǒng)材料遭遇性能瓶頸時，清華大學(xué)的這項研究為整個光電子行業(yè)指明了一條新路徑。鈦酸鋇薄膜在實驗室中展示的電光系數(shù)比傳統(tǒng)材料高出8倍，這個數(shù)字背后是無數(shù)次失敗的沉積試驗和精準(zhǔn)的應(yīng)變調(diào)控。
隨著人工智能對算力需求的指數(shù)級增長，這種能夠同時實現(xiàn)低驅(qū)動電壓和高集成密度的電光調(diào)制器技術(shù)，正在為下一代數(shù)據(jù)中心和計算架構(gòu)鋪平道路。而這一切，都始于一片只有納米級厚度的自緩沖層。
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