下一代硅光电子的“性能破局者”：BTO与PZT凭什么挑战铌酸锂？

发布时间：2026-05-13 17:02:50

硅基光电子正在经历一场静默而深刻的材料变革。过去数年，薄膜铌酸锂凭借优异的综合性能，成功从学术走向产业，成为高速光互连、微波光子学和量子光学领域的重要支柱。

然而，技术的演进从未止步。当AI算力集群从万卡迈向百万卡，当单通道速率从100G冲向200G甚至更高，业界对电光材料的性能要求也在不断刷新。铌酸锂经过多年技术迭代，性能空间已逐渐收窄——这并非铌酸锂的“不足”，而是所有成熟技术都会经历的自然阶段：为了走在技术最前沿，我们需要探索具有更高性能天花板的新材料。

在这一背景下，钛酸钡（BTO）和锆钛酸铅（PZT）正从众多候选材料中脱颖而出。它们凭什么被视为下一代硅基电光薄膜的有力竞争者？

01.电光系数：最核心“硬指标”

在任何电光调制器中，材料的内禀电光系数直接影响了器件驱动电压和调制器长度。

薄膜铌酸锂的线性电光系数约为 31pm/V。这是一个相当不错的数值，经过多年工艺优化，铌酸锂调制器已在性能和可靠性之间取得了优秀平衡。

BTO（钛酸钡） 的理论电光系数可达1000pm/V以上，即使在多晶薄膜形态下，实测值也能达到200pm/V以上，是铌酸锂的6–30倍。

PZT（锆钛酸铅） 的线性电光系数目前报道高达 230 pm/V以上，我司制备的PZT电光系数可达400pm/V以上，约为铌酸锂的 10倍。

这意味着什么？在同样设计目标下，BTO或PZT调制器的长度可以缩短到铌酸锂的几分之一甚至几十分之一，驱动电压也可同步降低。对于追求高密度集成的硅光芯片而言，更小的尺寸、更低的功耗正是最稀缺的资源。

02.不仅是电光：PZT的多功能

如果说BTO的优势在于“极致”的电光系数，那么PZT的独特价值则在于“一材多用”。

PZT不仅是优秀的电光材料，同时拥有极强的压电效应（压电系数d₃₃可达400 pm/V左右）。这意味着基于PZT的器件能够在同一薄膜上同时实现电光调制和声光调控。在微波光子学、片上声光调制器等新兴领域，这种“多功能集成”可以大幅简化系统架构，降低异质集成的复杂度。

此外，研究还表明PZT薄膜具备非易失光存储的潜力——电光调制与光存储可在同一材料中完成。这一特性为光电计算、片上神经网络等新型计算架构提供了此前未曾有过的可能性。

相比之下，铌酸锂的压电效应较弱，且不具备类似的光存储特性。

03.稳定工艺窗口与广泛兼容性

铌酸锂在硅基集成中采用的主流路线是晶圆键合，这种方法成熟可靠，但也存在工艺复杂、对衬底平整度要求高等固有限制。

BTO和PZT作为钙钛矿氧化物薄膜，在工艺上具有更大的灵活性。它们可以在多种衬底上实现高质量成膜，且对工艺波动具有一定的容忍度。这种“宽容”的材料特性，使得BTO和PZT在从实验室研发向晶圆级量产过渡时，可能比预期中更顺畅。

更重要的是，BTO和PZT薄膜可兼容标准半导体工艺，无需对现有产线做大幅改动即可导入。这对于希望保持成本竞争力同时追求性能突破的厂商而言，是一个不容忽视的优势。

04.多条技术路线，同一个终点

需要说明的是，BTO和PZT的性能实现并不依赖于某一种特定的制备方法。无论是物理沉积还是化学溶液法，不同技术路线都在不断刷新着这两个材料的性能记录。关键在于：即使在非完美晶体形态下，BTO和PZT的电光系数依然远高于铌酸锂。

这一事实意味着，BTO和PZT不必等到“完美的单晶薄膜”才能产业化。当前的技术水平，已经足以支撑它们进入实际器件的验证阶段。

当然，作为新材料，BTO和PZT在实际应用中仍有需要持续优化的环节——例如光学损耗的进一步降低、长期稳定性的系统评估等。但这些属于“工程问题”，而非“原理障碍”。随着更多研究机构和企业的投入，解决这些问题只是时间问题。

总结：取代不是目的，打开空间才是

“取代”这个词可能过于绝对。更准确的表述是：铌酸锂已经为硅基电光材料树立了一个很高的标准，而BTO和PZT正在证明，这一标准可以被显著超越。

如果追求极致的调制效率和超紧凑的器件尺寸，BTO是当前已知方案中潜力最大的材料之一。

如果追求多功能集成（电光+压电+存储），以及更高的温度耐受性，PZT的综合优势则格外突出。

而铌酸锂，将继续在其擅长的领域——对成熟度、稳定性和低风险有严格要求的产品中扮演着不可替代的角色。

硅基光电子正在进入一个“性能天花板不断被刷新”的黄金时代。BTO与PZT的崛起，并非对过去的否定，而是对未来的拓展。当算力需求仍在指数级增长，材料科学的每一次突破，都将直接转化为光互连和光电计算的前进动力。

这，就是我们持续关注下一代电光薄膜的最大理由。