导读

随着5G时代的到来，光纤通信对高速、大容量数据传输的需求日益迫切。电光调制器作为光通信的核心器件，其性能高度依赖于材料的电光系数、响应速度和稳定性。然而，传统材料（如铌酸锂）受限于低电光系数和高驱动电压，难以满足未来超高速通信的需求。

近日，华中科技大学集成电路学院傅邱云教授、董文副研究员团队在《Light: Science & Applications》发表综述文章“Advancing Inorganic Electro-Optical Materials for 5G Communications: From Fundamental Mechanisms to Future Perspectives”，系统总结了无机电光材料的研究进展，揭示了铁电极化与电光效应的内在关联，并提出了未来高性能材料的设计方向。

主要内容

这篇综述提出了两个主要方向：首先，深入铁电极化于电光效应关联机制理论和实验层面研究，特别是铁电材料极化响应动力学调制与电场调制下光折射率之间的内在关系，包括更高精度的第一性原理计算和相场模拟等理论方法和极化结构超快动力学表征等；其次，进行包含电场方向、铁电极化方向、光场方向多物理场器件仿真，关联薄膜材料内在极化结构的电学和光学行为，实现器件的精心仿真设计，优化器件性能；最后，调研光传输中无机材料的损耗、器件插入损耗和稳定性特性，寻找改善的方法。最终目标是实现可能能够替代铌酸锂（LiNbO₃，LNO）的下一代无机EO材料的预测和探索。希望此篇综述能够促进此领域的进一步发展。

铁电材料电光效应：简明介绍

根据极化对外加电场的不同响应，介电材料可分为线性电介质、经典铁电体、弛豫铁电体和反铁电体。铁电性的特点是由于离子位移引起的可逆电极化，在一个世纪前被实验发现，引发了对其基本性质和潜在应用的研究。在这里，铁电体（例如 BaTiO₃，BTO）通常是指具有微尺度畴结构的经典铁电体。而弛豫铁电体（如 PbZr_1-xTi_x，PZT），显示出纳米级的极化畴和通常更高的压电性，与传统铁电体相比，由于它们在两个稳定的极化状态之间的开关势垒通常较低，因此更容易进行极化切换。在弛豫铁电体中，纳米级畴或极性纳米区域（PNR）调节畴壁构型，导致磁滞的宏观降低，往往表现为薄磁滞回线，与经典磁滞回线相比，其磁滞可以忽略不计，其表现出来的非线性显然与纳米级域内极化的存在和运动有关。

铁电材料可以自发极化，而且其极化矢量的方向可以通过外部电场重新定向，表现出磁滞回线，与此同时，铁电材料在被施加电场时还表现出优异的 EO 效应。铁电体中固有的自发极化能赋予晶体类似于电偶极子的宏观特性，而这种极化可以响应外部电场重新定向。这种极化反转通常伴随着域切换，即材料内微观区域（域）的重新定向以与外加场对齐。这个过程的域切换的速度和机制会直接影响材料的 EO 特性。这种效应可以从调谐电场D_E下折射率D_n的变化直接看出，如图1所示。

图1. 电光效应与极化调控的关系及电场E下BTO薄膜畴状态1至状态2的转变示意图

介电响应与晶体内的可极化结构或元件有着内在的联系。如图2（上部）所示，传统的铁电畴结构，如交流畴、180° 畴等，尺寸大多在几十纳米到微米之间，大多数极化响应频率低于 GHz，因此在 THz 或更高频率范围内很难表现出明显的介极化响应，更不用说真正的 1500 nm 光波长电场了。典型的局域纳米畴，具有达到 10 纳米以下甚至几个晶格常数的相对尺度，允许响应频率高于传统铁电畴的响应频率，例如极性纳米区域、极性涡旋和极性纳米团簇。

图2. 不同尺度畴结构下介电常数的频率特性

无机电光材料

本文对钙钛矿基铁电 EO 材料以及新兴的 CMOS 兼容无机非钙钛矿对应物的进展进行了回顾，突出了对铁电和 EO 调制器的普遍关注。无机电光材料在材料层面从硅基到LNO再发展到BTO、PZT等，在形态层面则从体材料到薄膜材料（例如，LNO薄膜，BTO薄膜，PZT薄膜，PLZT薄膜），性能虽然越来越好，但与此同时，这些材料的应用领域所要求的标准也越来越高，包括高带宽、最小光损耗、低功耗和高信噪比。传统的硅基、III-V 族和化合物基调制器显然已经无法同时满足这些要求。尽管铌酸锂因其卓越的晶体性能而在光电子行业享有盛誉，但由于其在加工复杂性、掺杂波导结构、体积大、成本高、带宽受限和驱动电压升高方面的原因，其适用性也大打折扣。另一方面，薄膜铌酸锂（LNO）尽管发展相对较新，但前景广阔。其技术和性能仍有很大的增长空间，需要进一步的研究和迭代开发。新兴的铁电环氧化合物材料，如 BTO 、PZT 和 La-doped PZT （PLZT），也显示出进一步发展的巨大潜力。在结构上，薄膜材料的性能优于晶体和透明陶瓷，再加上后者错综复杂的加工挑战和成本效益，薄膜材料因此具有更广阔的发展前景。此外，如图3所示，铁电性领域已成为近来一个突出的研究领域，越来越多的研究致力于探索与该现象相关的效应和材料。

图3. 综述内容框架

另外，文中还提及了一些新兴二元EO材料，如HfO₂、ZnO和AlN及它们的电光效应。

前景展望

随着未来科学技术的加速发展，人们需要具有大量 EO 系数、出色透光率和稳定物理化学性质的电光材料，以及能够更快调制、降低损耗和更小外形尺寸的电光调节器。本文深入研究了无机电光材料，以 EO 效应和调制的基本原理为基础，全面回顾了空间 EO 调制材料和电光薄膜的研究工作。此外，本文对最近发现的 CMOS 兼容非钙钛矿无机铁电材料所表现出的基本铁电性能和 EO 效应进行了深入分析。具体研究内容和结论如下：目前，基于 LNO 的调制器在高速 EO 调制器市场占据主导地位。然而，它们有限的 EO 系数限制了使用块铌酸锂的商用调制器的性能，从而导致更大的尺寸、更高的驱动电压。用于下一代 EO 材料的无机光学材料的开发，特别是用于硅芯片级集成的无机光学材料，预计将集中在 BTO 和 PZT 上，它们表现出更高的 EO 系数。

尽管铁电材料展现出巨大潜力，但其电光系数的理论预测与实验值仍存在量级差异（如BTO理论值45 pm/V vs. 实验值923 pm/V）并且流行的材料也仍然存在局限性（LNO制备复杂，BTO的居里温度较低）。铁电 EO 调制效应与畴结构和极化调节错综复杂地相关，构成了一个动态的、跨尺度的过程，控制着极化结构的调节和响应，如图 4 所示。本文认为，未来需从以下方向突破：

（1）深入研究铁电机理：未来无机铁电 EO 调制材料的研究工作应优先阐明铁电极化和 EO 效应之间错综复杂的相互作用，最终旨在通过更深入地了解潜在机制来优化后者。

（2）材料-器件协同设计：首先，需要进行基于仿真的研究，精心设计响应 EO 调制器的参数，从而优化器件的结构。其次，深入研究和验证这些无机材料的光传输损耗、器件插入损耗和稳定性特性。最终的目标是识别和探索最有可能成为 LNO 可行替代品的下一代无机 EO 材料。

（3）多尺度表征技术：为了揭示潜在机制并为材料设计提供信息，未来的研究必须整合理论框架、计算方法（如 DFT）、分子动力学和相场模拟以及材料设计策略。此外，对材料的多级结构和耦合行为的全面分析有助于深入了解如何协同利用这些结构来调节铁链排列和折射率。最终，通过和谐地整合极化方向、电场方向、光场方向和协同设计原理，可以优化 EO 调制效果，从而指导先进器件的发展。

（4）非铅材料探索：未来可以开发环保型HfO₃基和ZnO基材料，替代含铅的PZT。

图4. 无机铁电材料电光效应机制与性能优化研究方案

团队与平台

本研究由华中科技大学集成电路学院、敏感陶瓷教育部工程研究中心、武汉光电国家研究中心联合完成。团队长期致力于铁电电光机制和器件集成研究，近年来在《Light: Science & Applications》，《Materials Today》，《Journal of Advanced Ceramics》，《Ceramics International》等期刊发表电光材料及器件系列突破性成果。董文副研究员表示，“通过跨尺度结构设计与电光动力学调控，我们有望在未来5年内实现电光调制器的性能倍增与成本减半，铁电材料大有可为。”（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-025-01851-9