通过厘清钛酸钡晶体与光的相互作用，研究人员提供了可减少高速光通信器件设计中昂贵试错的数据。

光在通信器件中承载数据时，内部材料的吸收会削弱信号。工程师若要构建更快、更高效的器件，需要在确定设计前预测光在材料中的传输路径以及损耗。

对于有前景的材料钛酸钡（BTO），相关测量数十年来差异很大。KAIST 领导的研究团队现已厘清其与光的相互作用，提供的数据可帮助工程师更可靠地设计器件，并减少昂贵的制造与重新设计轮次。

同一晶体对光的不同响应

BTO 提供了一种控制光的有效方式，因为施加电场会改变其折射率；折射率衡量光通过材料时减速的程度。其对电场的强响应称为普克尔斯效应（Pockels effect），使其在光调制器中具有前景。这些器件利用电信号控制光并将信息编码到光上。

难点在于 BTO 晶体可能包含具有不同晶体取向的小区域，称为畴（domain）。这些区域与光的相互作用可能不同，因此一起测量会混合其响应。这使确定材料的基础光学性质并预测其在器件中的行为更加困难。

为减少这种混合，KAIST 电气工程学院 Min Seok Jang 教授领导的团队检查了两类畴取向相对均匀的单晶 BTO 样品。研究人员使用穆勒矩阵光谱椭偏测量（Mueller-matrix spectroscopic ellipsometry），该技术测量光从材料反射或穿过材料时偏振的变化，即电场振动方向的变化。这些变化提供材料如何影响光的信息。

其分析覆盖 190 纳米（nm）至 40 微米（μm）波长，跨越紫外到远红外。由于 BTO 在该范围内与光的相互作用不同，研究人员将其划分为三个光谱区，并对每个区采用适合的分析方法。他们确定了折射率和吸收性质如何随波长和晶体取向变化。

团队还开发了一种计算包含不同取向畴的晶体整体光学响应的方法。该方法利用这些畴的取向和相对比例，计入曾使 BTO 性质难以确定的混合内部结构。

近透明钛酸钡的光损耗测量

即使在 BTO 近乎透明的波长范围内，研究人员仍能量化极弱吸收。他们将椭偏测量与单独的透射率测量结合，透射率测量记录穿过样品的光量，从而确定 2–10 μm 范围内低至约 10⁻⁵ 的消光系数。消光系数描述材料吸收光的强弱，数值越小表示吸收越弱。

这些测量共同帮助回答关于波导的两个实际问题，波导是引导光通过器件的结构。折射率帮助设计者预测光如何传输，消光系数帮助估计有多少光因吸收而损耗。工程师可在制造前用这些数据评估不同尺寸和形状的器件。潜在应用包括通信调制器、在新波长产生光的器件，以及利用光处理量子信息的电路。

Min Seok Jang 教授表示，这项研究揭示了钛酸钡长期不明确的光学响应，并为该材料与光的相互作用提供了可靠参考。他补充说，这些发现有望促进降低光损耗并实现更快数据传输的光通信器件，以及需要精确控制光的量子光子器件。

参考文献：Jiwon Kang, Nina Hong, Christopher M. Yi, Yun Su Go, Martin Thomaschewski, Hwi Je Woo, Prachi Thureja, Junghoon Jahng, Harry A. Atwater and Min Seok Jang, Broadband Optical Characterization of Tetragonal Barium Titanate by Mueller-Matrix Spectroscopic Ellipsometry, ACS Photonics, 20 October 2026. DOI: 10.1021/acsphotonics.6c01514