薄膜铌酸锂(TFLN) 与钛酸钡(BTO)：电光调制谁更强

高速电光调制领域，铌酸锂和BTO是两大明星材料，铌酸锂的产业化大家在你追我赶卷的飞起，而更卷的人已经在忙着布局BTO，打造下一个热点了。最近，瑞士ETH研究人员在Nature Materials期刊上发表了题目为《Barium titanate and lithium niobate permittivity and Pockels coefficients from megahertz to sub-terahertz frequencies》 的文章，首次在100 MHz至330 GHz的连续频率范围内，实验测量了LN和BTO的泡克尔斯系数及介电常数并做了对比。

结果表明，LN的相关性能在全频段内保持稳定，而BTO则表现出显著的频率依赖性。尽管如此，BTO的电光性能仍优于LN。通过器件结构设计可以消除BTO泡克尔斯系数色散对电光频率响应的影响，并提出了一种基于集成电光移相器的宽带特性表征方法。

◆ 表征方法

高频下的薄膜电光材料表征面临诸多挑战。与体材料不同，薄膜难以直接应用于自由空间干涉仪。集成电光调制器虽可解决这一问题，但其带宽常受限于RC时间常数、射频衰减和信号速度失配。为克服这些限制，本工作设计了基于等离子体有机混合调制的移相器（图1a）。该结构将光场限制在电光材料层内，通过缩短器件长度（BTO为25 µm，LN为50 µm，总插入损耗＜0.2dB）降低RC带宽限制，同时减少光传播损耗。

◆ 介电常数测量

LN和BTO的介电常数随频率变化呈现显著差异。LN的单畴结构使其每个晶胞极化方向一致，因此介电常数在a轴（εₐ=45）和c轴（ε_c=27）方向保持稳定（图2c）。而BTO的多畴结构则使得其初始极化方向指向4个90°方向中的任意一个，因此其有效介电常数呈现复杂的频率依赖性（图2d），通过Debye模型拟合，可以发现BTO的介电常数色散主要源于缺陷相关弛豫和钛离子迁移。

由于目前不同单位采用不同的晶体生长技术，各家的薄膜质量不一样，因此报道的数值也有很大差异。本工作采用的是射频溅射外延的方法，这种方法采用的是标准化学计量比的BTO靶材进行沉积，所以可以获得低损耗的BTO薄膜。像PsiQuantum等其他单位采用MBE或MOCVD等高级设备外延，也会产生氧空位等缺陷，进而引起百MHz到1GHz频段内的驰豫振荡。而非化学计量比的材料影响就更大了，在高频处也会有振荡现象。

◆ 泡克尔斯系数分析

铌酸锂的单畴特性使得它在电场与光场平行于c轴的时候达到最大调制效率，而BTO的多畴特性则使得它在45°的时候是最优的。其最终能够实现的电光系数取决于极化之后的畴对齐程度。

LN的泡克尔斯系数测试出来（r₃₃=26.9 pm/V，r₁₃+2r₄₂=15.0 pm/V）在全频段内保持稳定（图4a）。BTO的r₃₃系数在1 GHz以上保持稳定，而r₄₂系数随频率升高显著下降，但仍然有至少1.2倍的提升(60pm/V)。这种调制效率的色散特性(相同电压不同频段的调制效率不同)在使用中估计还是会有问题的。

这里BTO在测试之前需要先做一个直流偏压极化，在进行电光测试之前撤掉极化。补充材料的稳定性数据可以看到撤掉极化之后会有一个1dB的调制效率降低过程。实际工作不知道是不是也会有直流漂移的问题。

◆ 器件频率响应优化

这里引入图5a所示的简单假设结构讨论器件结构的优化。在宽度为w_BTO的BTO层两侧，放置有电位差为V的两个金属电极。电极与BTO层之间由宽度为wC、射频介电常数为ε_C的包层材料隔开。当w_C ≳ w_BTO时，该结构可模拟行波调制器 ；当w_C = 0时，则可模拟等离子体调制器。通过分析得出结论，对于等离子体调制器，调制幅度可以做得很高，但会产生调制效率色散，而行波调制器能够抑制色散，但调制效率会有权衡。

所以综合看下来，感觉尽管BTO理论潜力非常大，但这个材料在材料生长、材料热稳定性、调制稳定性包还需要投入不少科学研究探索，感觉目前光通信领域里边还是单晶材料、固定工艺的平台才能够实现规模较大的量产，五花八门的特色工艺特色材料特色平台还需要有更多的新场景来支撑百花齐放。