【儀表網 研發快訊】華中科技大學集成電路學院傅邱云教授、董文副研究員團隊在Light：Science & Applications發表綜述文章“Advancing Inorganic Electro-Optical Materials for 5G Communications”，系統總結了無機電光材料的研究進展，揭示了鐵電極化與電光效應的內在關聯，并提出了未來高性能材料的設計方向。
 

　　隨著5G時代的到來，光纖通信對高速、大容量數據傳輸的需求日益迫切。電光調制器作為光通信的核心器件，其性能高度依賴于材料的電光系數、響應速度和穩定性。然而，傳統材料(如鈮酸鋰)受限于低電光系數和高驅動電壓，難以滿足未來超高速通信的需求。
 

　　隨著未來科學技術的加速發展，人們需要具有大量EO系數、出色透光率和穩定物理化學性質的電光材料，以及能夠更快調制、降低損耗和更小外形尺寸的電光調節器。我校團隊深入研究了無機電光材料，以EO效應和調制的基本原理為基礎，全面回顧了空間EO調制材料和電光薄膜的研究工作。此外，團隊還對最近發現的CMOS兼容非鈣鈦礦無機鐵電材料所表現出的基本鐵電性能和EO效應進行了深入分析，具體研究內容和結論如下：目前，基于LNO的調制器在高速EO調制器市場占據主導地位。然而，它們有限的EO系數限制了使用塊鈮酸鋰的商用調制器的性能，從而導致更大的尺寸、更高的驅動電壓。用于下一代EO材料的無機光學材料的開發，特別是用于硅芯片級集成的無機光學材料，預計將集中在BTO和PZT上，它們表現出更高的EO系數。團隊提出了系列主要方向：首先，進一步深入鐵電極化于電光效應關聯機制理論和實驗層面研究，特別是鐵電材料極化響應動力學調制與電場調制下光折射率之間的內在關系，包括更高精度的第一性原理計算和相場模擬等理論方法和極化結構超快動力學表征等；其次，進行包含電場方向、鐵電極化方向、光場方向多物理場器件仿真，關聯薄膜材料內在極化結構的電學和光學行為，實現器件的精心仿真設計，優化器件性能；最后，徹底調研光傳輸中無機材料的損耗、器件插入損耗和穩定性特性，尋找改善的方法。相關研究的最終目標是實現可能能夠替代LNO的下一代無機EO材料的預測和探索。
 

　　在研究中，我校團隊對鈣鈦礦基鐵電EO材料以及新興的CMOS兼容無機非鈣鈦礦對應物的進展進行了回顧，突出了對鐵電和EO調制器的普遍關注。另外，團隊還提及了一些新興二元EO材料，如HfO2、ZnO和AlN及它們的電光效應。
 

　　我校團隊還在研究中提出了未來的突破方向，以解決鐵電材料電光系數的理論預測與實驗值仍存在量級差異(如BTO理論值45 pm/V vs. 實驗值923 pm/V)，且流行的材料也仍然存在局限性(LNO制備復雜，BTO二次電光系數較低)等問題。
 

關于無機鐵電體電光(EO)機制及性能優化的未來研究方向
 

　　本研究由我校集成電路學院、功能陶瓷教育部工程研究中心、武漢光電國家研究中心聯合完成。相關團隊長期致力于鐵電電光機制和器件集成研究，近年來在Light：Science & Application、Materials Today、Journal of Advanced Ceramics、Ceramics International等期刊發表電光材料及器件系列突破性成果。