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研究人员测量了 LN 和 BTO 在 100 MHz - 330 GHz 的 Pockels 系数和介电常数，为高速器件设计提供依据。
研究背景：探寻电光材料的频率响应之谜
在光通信和光子集成电路飞速发展的时代，高速控制光信号成为关键挑战。Pockels 效应作为一种广泛应用的非线性光学现象，能够通过施加电场实现近乎瞬间的折射率变化，这一特性使其在电光调制器中发挥着核心作用，为实现超过 100 GHz 的调制带宽提供了可能，在量子网络、可编程光子电路以及可重构超表面等领域都有着重要应用。
铌酸锂（LN）和钛酸钡（BTO）这两种铁电材料，凭借其较大的光学折射率和 Pockels 系数，成为备受瞩目的 Pockels 材料。然而，长期以来，它们的 Pockels 系数在不同频率下的变化情况一直未得到实验验证。同时，关于 BTO 薄膜在 10 GHz 以上频率的介电常数测量也极为匮乏。这种数据的缺失，严重阻碍了对这两种材料在高速器件中性能的深入理解和优化，限制了新型电光材料的开发和相关技术的进步。为了填补这些知识空白，来自瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员展开了一项具有开创性的研究。
研究方法：搭建精准测量的桥梁
研究人员为了深入探究 LN 和 BTO 的电光特性，精心设计并制备了基于混合间隙等离子体波导的专用相移器。这种相移器具有诸多优势，其结构紧凑，长度仅为 25 μm（BTO）或 50 μm（LN），有效降低了电容，将 RC 带宽限制提升至数百 GHz。同时，光学场能够高度集中在电光层内，且位于发生折射率变化的区域，极大地提高了电光效率，降低了片上插入损耗，为精确测量提供了有力保障。
在测量过程中，研究人员利用矢量网络分析仪（VNA）进行 S11反射测量，通过与理论计算的等效电路模型阻抗进行对比，成功提取出材料的介电常数。对于 Pockels 系数的测量，他们采用了独特的方法，通过光学频谱分析，从光强度测量中巧妙地提取出电光强度，进而计算出有效 Pockels 系数（reff）。
研究结果：揭开材料特性的神秘面纱
- 介电常数的差异之旅：LN 和 BTO 的介电常数在频率响应上表现出显著差异。LN 由于其稳定的单畴结构，介电常数在 100 MHz 至 330 GHz 范围内保持恒定，沿 a 轴（εa = 45）和 c 轴（εc = 27）的数值清晰可辨。而 BTO 的多畴结构使得其介电常数难以区分轴向贡献，文献数据呈现出较大的离散性。研究人员采用 Debye 模型对 BTO 的介电常数进行拟合，发现其介电常数的变化与缺陷、Ti 离子跳跃等因素密切相关。通过分析，他们还发现 BTO 薄膜中的缺陷较少，且部分极化处理降低了低频下的介电常数。
- Pockels 系数的频率变奏曲：LN 的 Pockels 系数 r33和 r13 + 2r42在测量频率范围内保持稳定，这与预期相符，为研究提供了可靠的参考。相比之下，BTO 的 Pockels 系数展现出复杂的频率依赖性。r33在几百兆赫兹处出现色散台阶，r13 + 2r42在 10 GHz 以上呈现强烈色散。研究人员通过 Miller 规则揭示了 Pockels 系数与介电常数之间的内在联系，发现 BTO 的 r42系数在低频时显著高于 LN，但随着频率升高大幅下降。
- 器件结构的影响之探：研究人员进一步探讨了 BTO 器件中 Pockels 位移的频率依赖性与器件几何结构的关系。他们构建了一个简化的理论模型，分析了不同包层宽度与 BTO 层宽度比（Rw）对折射率变化的影响。结果表明，在等离子体器件（Rw = 0）中，折射率变化紧密跟随 BTO 介电常数的频率响应；而在典型的光子器件（Rw ≈ 1 或更大）中，当 BTO 介电常数足够大时，折射率变化几乎与 BTO 介电常数和 Pockels 系数无关，呈现出频率无关的特性。
研究结论与意义：点亮高速器件设计的灯塔
这项发表于《Nature Materials》的研究成果意义重大。研究人员成功测量了 LN 和 BTO 在 100 MHz 至 330 GHz 范围内的介电常数和 Pockels 系数的频率响应，为众多前沿技术，如高速通信、量子网络、可编程光子学和可重构超表面等，提供了关键的基础数据。这些数据为设计新型高速 BTO 器件奠定了坚实的理论基础，有助于优化器件性能，推动相关技术的发展。
此外，研究中所使用的相移器和测量方法，为探索新型电光材料的特性提供了有效的途径。通过深入理解 BTO 的电光特性与器件几何结构之间的关系，为克服电光特性的频率依赖性提供了新的思路，有望激发更多创新的设计理念，促进电光材料和器件领域的进一步发展。这一研究成果如同点亮了一座灯塔，为未来高速器件的设计和新型电光材料的研发指引了方向，具有广阔的应用前景和深远的科学价值。
