對光通信也好，對激光雷達也好，期待相移尺寸越小越好，來滿足更高集成度的需求，尤其是激光雷達對于集成度提高的迫切程度，遠遠大于光通信這個領域。

也就有了各種新的電光材料的產業化探索，昨天寫了基于TCO的材料，在Y8T247寫了相變材料。今天寫一下BTO鈦酸鋇

BTO，BaTiO3，鈦酸鋇，這個材料的一階電光系數非常高，923pm/V，是鈮酸鋰的30倍。而硅沒有直接電光效應，是采用載流子濃度變化作為間接控制折射率的一種技術路線。

材料電光系數為什么用[長度/電壓]做單位，原因寫在2022合集上第97-99頁。

如果用鈦酸鋇做電光調制器，不僅比硅要好很多，甚至比鈮酸鋰都好太多太多了，那產業界沒有用起來一定有些原因的。

鈦酸鋇產業受限的原因之一：居里溫度點太低

什么叫居里溫度點？

居里點（Curie point），也叫居里溫度點（Curie temperature point，Tc）或磁性轉變點。是指磁性材料中自發磁化強度降到零時的溫度，是鐵磁性或亞鐵磁性物質轉變成順磁性物質的臨界點。

我們寫光模塊的隔離器時說過這個參數，因為隔離器的法拉第片用的是磁致旋光作用，如果磁性消失，意味著隔離器就失效了。

鈦酸鋇對居里溫度點這么關注，是材料磁性消失的根本原因在于“相變”，材料的結構變了。

鈦酸鋇的居里點是125℃，高于這個溫度，鈦酸鋇晶體就成了對稱晶體，沒有電光效應了，硅就是對稱晶體，所以就沒有直接電光效應。低于這個點，鈦酸鋇是非對稱的“斜”晶，就能用作調制器。

對比一下，

鈮酸鋰的居里點，>1000℃，在我們做光模塊也好，在做激光雷達也好，基本上正常應用就不會導致鈮酸鋰結構改變。

鈦酸鋇的居里點，125℃，很容易就觸碰到這個溫度了呀，從材料到芯片到組裝成光模塊，這一整套多個環節的工藝，外延、退火、鍵合、燒結、固化、焊接.....，誰也不敢說全部控制在小于125℃

有兩個彌補路徑，一個是通過應變，略提高一下鈦酸鋇的居里點，比如提高到兩三百度，確實很難，其次是避讓高溫工藝，確實也很難。

接著聊鈦酸鋇的其他劣勢，

做鈦酸鋇陶瓷很容易，多晶也很容易，但制造高品質的單晶就很難。

很多科學家制作的鈦酸鋇單晶，與硅光目前的主流工藝不兼容，這也是產業瓶頸。

今年，一個做硅基鈦酸鋇的廠家，說他們解決了硅基鈦酸鋇的工藝，但拒絕透露細節。

盲猜一下吧，這個公司的人是從IBM出來的，IBM在2019、2020年的OFC，都介紹了他們鈦酸鋇的工藝流程。

我梳理一下，IBM用了異質外延鍵合工藝，現在SOI的硅基wafer上用MBE沉積170nm后的鈦酸鋇層，之后沉積氧化鋁層，用于晶圓鍵合。

早期的硅光和硅基鈦酸鋇的鍵合層，高度差異很大，后期則逐步優化降低高度。

探測器用的是鍺，調制器用鈦酸鋇，先在另一個晶圓上制作硅波導、探測器等工藝，之后做電極。

硅光集成工藝不同高度的區別在于工藝溫度，是先做高溫工藝，再慢慢的做低溫工藝，避免后續的制作過程溫度太高影響前邊已經做好的結構外形以及性能。

把高溫工藝做完后，再鍵合硅基鈦酸鋇晶圓，之后去除襯底，留下鈦酸鋇。

看上圖，左下是硅基鍺探測器，右上是硅基鈦酸鋇調制器，他們二者還互相掣肘。

要形成鈦酸鋇的高質量單晶，需要退火，而這個退火過程是會影響鍺的單晶狀態。

鈦酸鋇和鍺，他們都是“溫度”敏感材料。

IBM對鈦酸鋇工藝溫度不斷優化，是他們的重點，如果工藝溫度點能提高到350℃左右，就能降低高度，實現我們所理解的硅基鈦酸鋇高效率的調制器。

小結一下：

硅沒有直接電光效應，MZ調制器的VπL大約在2V.cm，MR微環調制器的VπL大約在0.5V.cm

昨天聊的TCO調制器的VπL大約在0.05V.cm

今天聊的BTO調制器VπL大約在0.2V.cm

鈦酸鋇的優缺點

優點：直接電光系數非常高，適合電光調制器的小型化

劣勢：居里溫度太低，單晶質量不好控制，與硅光集成的工藝平臺不兼容等。

審核編輯：劉清