从显示器到数据通信，铁电向列相液晶正在为下一代光互连技术提供动力

几十年来，液晶技术对现代光子学和电子学产生了深远的影响，最显著的例子就是我们日常生活中常见的平板显示器。传统的向列相液晶由棒状分子组成，这些分子能够自发地沿着共同指向矢排列，同时保持流动性。在较小的电场作用下，它们可以产生较大的折射率变化，从而实现紧凑、低功耗的开关，使得液晶显示技术得以广泛应用。然而，这种分子重取向机制本身速度较慢，通常仅限于千赫兹级。这种对刺激响应的缓慢速度使得传统的向列相液晶无法满足现代光通信和数据中心互连对每秒数吉比特传输速率的需求。

最近发现的一种液态物质——铁电向列相液晶（FNLC）——有望弥补这一缺陷。FNLC 结合了传统向列相液晶的流动性和可加工性，以及自发极性有序和强大的电光（EO）响应，为从显示材料到高速光子器件开辟了一条新的道路。除了其理论潜力之外，这项创新在下一代光互连技术已经需要能够实现更高数据速率的高性能、高可靠性调制器之际，显得尤为重要。

经典向列相液晶：无极性的有序性

向列相液晶分子的棒状结构及其取向有序性产生了强烈的宏观双折射，其值通常在 Δn ≈ 0.1 到 0.5 之间。当施加外部电场时，分子会重新取向，从而改变偏振光所感受到的折射率。由此产生的相位或偏振调制是液晶显示器像素、可调谐透镜、空间光调制器以及其他光子元件和器件的基础。

然而，响应受到阻碍分子旋转的粘滞扭矩的限制。开关时间以毫秒计，对于大多数实用器件而言，其带宽远低于 1 kHz。虽然这种响应速度对于视频速率显示器来说绰绰有余，但对于数据中心和电信链路中的光调制器而言，其速度要求却相差几个数量级，因为在这些应用中，数十吉赫兹的电光带宽如今已成为常规配置。

铁电向列相

20世纪初，德国物理学家马克斯·玻恩提出了向列相流体可能也具有自发极性有序的观点¹然而，这种相态在一百多年里一直令科学家们难以捉摸。2020年，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员进行了第一性原理实验，证实了极性畴的存在、场驱动畴翻转以及高达每平方厘米几微库仑的自发极化——这些数值与固态铁电体的极化强度相当²。

在铁电向列相中，分子偶极子优先沿指向矢排列，打破了反演对称性（图1）。由此产生的极性流体保留了普通向列相的低粘度和易于排列的特性，并获得了较大的二阶非线性光学极化率和强烈的泡克尔斯效应。

图 1.在铁电向列相液晶 (FNLC) 中，组成分子沿其极轴方向自发排列。图片由 Polaris Electro-Optics公司提供。

至关重要的是，这种极性有序结构在热力学上是稳定的，并且极轴取向可以在宏观区域内均匀控制。这与有机电光聚合物在高极化电压下获得的动力学受限且热力学不稳定的排列方式形成鲜明对比。

电光和非线性光学性能：

由于极性有序结构已经存在，外加电场与极化呈线性耦合（泡克尔斯效应，Pockels effect），而不仅仅像经典向列相液晶那样通过二次介电各向异性耦合（图2）。在足够高的频率下，分子重取向冻结，此时残余响应完全由电子效应决定，原则上仅受电极结构的电阻-电容（RC）时间常数的限制。迄今为止，对工程化FNLC混合物的测量结果表明，其电光系数已超过铌酸锂（LN）。此外，该材料的流动性使其能够渗透到高效的纳米光子波导器件结构中。

图 2.非线性液晶的大 χ (2)值使其能够实现高速电子光通信。SHG：二次谐波产生；SLM：空间光调制器。图片由 Polaris Electro-Optics 公司提供。

同样的非中心对称阶数会产生大量的二次谐波产生（SHG）。FNLC薄膜展现出高效的SHG，并且可以通过光刻图案化极性畴结构来进一步增强，从而实现准相位匹配（QPM）条件³。这些非线性特性为紧凑型频率转换器、可调谐非线性Pancharatnam-Berry元件以及其他软物质光子器件的实现开辟了道路，而这些器件用晶体或聚合物材料则难以实现。

与硅光子的混合集成

在光子集成和网络领域，混合硅-FNLC平台代表了这项已开发技术最直接的应用前景。硅光子电路已经能够提供低损耗波导、高密度布线和CMOS兼容的制造工艺。然而，它们缺乏强而高速的Pockels效应。通过将铁电向列相液晶（FNLC）渗入硅槽波导或在代工光子芯片上覆盖FNLC薄膜，研究人员已经展示了结合了两种材料最佳特性的移相器和马赫-曾德尔调制器。

在实际的光子器件中，FNLC材料被配制并玻璃化成一种称为FenGlass的固态铁电向列相玻璃。在玻璃态下，高温FNLC相中建立的极性分子有序结构在材料冷却至玻璃化转变温度（T g）的过程中被锁定。这既保证了机械稳定性，又使其与标准的半导体处理和封装兼容，同时还保持了液态铁电向列相的高电光活性。

该材料的特性还带来了其他优势。一个关键优势是FenGlass材料在固化前保持液态。这意味着该材料可以直接渗入高效的纳米级硅光子结构中。这种以流体形式沉积电光材料的能力使FenGlass区别于其他铁电材料，因为它能够应用于开槽硅波导器件结构。在硅槽波导中，两条紧密排列的硅导轨（通常间距为100至200 nm）形成高折射率对比度的光模式，该模式被强烈限制在低折射率的槽区内（图3）。当槽内填充FenGlass时，光场和施加的射频（RF）电场都会集中在有源介质中。这种双重限制产生了极高的重叠因子，与使用传统条形或脊形波导相比，显著提高了调制效率。

图 3.具有开槽硅 (Si) 波导的混合硅-FNLC 器件结构的横截面图（上）。FNLC 内的光模式限制（下）。SiO₂ ：氧化硅。图片由 Polaris Electro-Optics 公司提供。

这种结构本质上比典型的薄膜铌酸锂（TFLN）结构更高效。TFLN调制器中的光模主要位于高折射率的铌酸锂（LN）薄膜内部，而射频场则通过共面或埋入式电极施加，这些电极仅与光模部分重叠。因此，在TFLN中实现强约束和速度匹配需要精细的电极设计和更长的相互作用长度。

相比之下，硅槽结构将几乎整个光模置于电光材料内部，并使电极与电光材料直接接触。这使得在给定驱动电压下，FenGlass所受到的电场强度最大化。其结果是，对于给定的材料电光系数，电压-长度乘积（VπL）显著降低。

最后，由于FNLC的极性有序是自发的，这些器件无需极化，并且可以使用相对简单的后处理步骤进行制造。材料在玻璃化转变温度（Tg）以上的流动性也放宽了晶体薄膜键合的一些热预算和应力限制。

器件性能：

早期研发的混合硅-芬玻璃马赫-曾德尔调制器已在O波段和C波段展现出优异的性能指标，在高达50 V/μm的内部电场下仍保持高度线性，并在毫赫兹至吉赫兹范围内保持平坦的频率响应（图4）。在调制效率（VπL）方面，目前的架构实现了4至6 V·mm的半波电压长度乘积，具体数值很大程度上取决于槽宽。优化设计的开发者目标是在2026年第四季度将半波电压长度乘积降低至2 V·mm以下。在光损耗方面，早期研发器件实现了5 dB/mm的波导传播损耗，优化后的槽宽可达到3 dB/mm。器件通常可实现20至30 dB的消光比。即使是早期未经优化的研发器件，也实现了400 Gbit/s的PAM-6传输净带宽（图5）。

图 4.混合型 FNLC 马赫-曾德尔干涉仪 (MZI) 的幅度调制(a)。在多个 π 阶范围内具有优异的线性度 (b)。EO：电光；Vpp：峰峰值电压（测量值）。图片由 Polaris Electro-Optics 公司提供。

除了马赫-曾德尔干涉仪（MZI）调制器之外，研究人员还展示了使用FNLC的微环调制器（MRM）。在器件工作期间保持这些材料处于液态，使得研究人员能够表征同一材料中低速响应（截止频率=119 kHz）和折射率大幅变化（150 pm/V）以及高速Pockels效应。因此，人们可以高效地低速调谐MRM器件（例如，无需加热器/加热），并利用FNLC对其进行高速调制。

图 5.仅显示电光效应中电子贡献的平坦频率响应(a)。使用研发型 MZI 调制器获得的数据速率(b)。HD-FEC：硬判决前向纠错；SD-FEC：软判决前向纠错。图片由 Polaris Electro-Optics 提供。

这些结果证实，FenGlass 的大 Pockels 响应与硅槽波导的场增强特性相结合，为实现紧凑、低电压、高速且完全兼容标准硅光子代工工艺的调制器提供了一条途径。对于光互连而言，其意义重大；人工智能数据中心内部的机架内和机架间链路需要高密度、低功耗、高带宽的调制器，并且这些调制器可以与电子器件共封装。基于 FNLC 的混合平台为实现 CMOS 电压工作、兼容代工工艺以及短相互作用长度所需的高电光强度提供了潜在途径。这些特性共同解决了目前共封装光学器件 (CPO) 面临的许多封装和功耗挑战。

与先进封装的兼容性

先进的封装工艺，特别是晶圆级凸点、倒装芯片键合和 2.5D/3D 集成，通常会使光子芯片经历一次或多次回流焊步骤。为了使材料平台能够大规模应用，其相关的电光性能必须能够在热循环中保持稳定，无需后续的恢复步骤，例如使用强电场进行重新极化。

电光聚合物在这方面尤其脆弱。它们的宏观极性有序是由高温电场极化过程诱导产生的，一旦材料接近或超过其玻璃化转变温度，这种有序就会变得不稳定。电光聚合物的玻璃化转变温度通常在 160 至 200 °C 之间进行优化，以平衡极化过程中的分解和足够高的玻璃化转变温度，从而在动力学上捕获非中心对称构型，防止器件性能在其使用寿命内衰减。因此，典型的回流焊工艺足以使发色团取向随机化，导致 Pockels 响应完全丧失。此外，封装后恢复性能也极其困难，因为对高密度光子集成电路上的单个器件进行选择性重新极化并不实际。

在此背景下，FenGlass平台与标准先进封装工艺的兼容性是其最重要的实际应用成果之一（图6）。在最近的一次认证中，164个混合硅-FenGlass调制器经受了两次完整的无铅回流焊循环（峰值温度约为250°C）。经过这些循环后，器件的半波电压（Vπ）平均变化小于1%。这种与硅光子学集成的电光材料所展现出的卓越稳定性，对大批量光互连的制造具有直接意义。

图 6.典型的无铅回流焊曲线（上图）。两次回流焊后 Vπ 的百分比变化（下图）。图片由 Polaris Electro-Optics 提供。

早期可靠性评估：

FenGlass平台在更广泛的行业标准可靠性应力测试中也展现出了稳健的性能，其性能超越了回流焊兼容性测试的范畴。数百个混合硅-FenGlass调制器经受了温度循环、高温存储（HTS）和无偏湿热测试。在这些测试条件下，器件性能均未出现显著变化（图7）。

图 7.  硅-芬玻璃调制器的可靠性测试。温度循环，200 次循环，n = 47 （上图）；无偏置湿热 (uBDH)，n = 47，2000 小时（中图）；高温存储 (HTS)，n = 47，2000 小时（下图）。图片由 Polaris Electro-Optics 公司提供。

这些结果尤其值得关注，因为它们是在完全加工的混合器件上获得的，而不是在薄膜或简化的测试结构上获得的。热循环（考验机械完整性和界面）、高温存储（探测材料的长期稳定性）和无偏湿热（评估其抵抗湿度驱动退化的能力）的结合，为封装级可靠性提供了全面的早期指标。

在这些条件下未观察到可测量的退化，这进一步将FenGlass与许多有机电光材料区分开来，后者容易发生光氧化、湿度引起的生色团分解或热退极化。这也与材料在多次回流焊过程中保持其极性有序的观察结果相吻合。

通往高速光子学的软物质途径。

综上所述，上述数据集表明，FenGlass完全有能力满足先进封装和大批量光互连应用的可靠性要求。混合硅-铁电向列相液晶（FNLC）调制器在超过400 Gbit/s数据速率下的演示表明，该技术已走上了与下一代光互连相关的发展道路。FNLC

占据着独特的市场地位：它是一种柔软、易于加工的Pockels介质，弥合了成熟的显示行业与高速数据通信和CPO（复合光子器件）严苛要求之间的差距。从这个意义上讲，FNLC代表着真正的范式转变。它沿用了使向列相显示器广泛应用的分子设计原理，并在此基础上增加了极性有序、电光响应和强光学非线性——这些特性以前通常与晶体或极化聚合物材料相关。

而且，由于这种材料保持液态，因此可以在低温下加工，可以渗透到现有的光子电路中，并且无需强力极化即可在大面积上进行取向。高电光系数、自发极性有序和良好的可加工性相结合，使得铁电向列相液晶成为近年来光子学领域涌现的最引人注目的材料平台之一。

参考文献

1. M. Born (1916). Über anisotrope Flüssigkeiten. Versuch einer Theorie der flüssigen Kristalle und des elektrischen Kerr-Effekts in Flüssigkeiten. On anisotropic liquids. Attempt at a theory of liquid crystals and the electric Kerr effect in liquids. Sitzungsber Preuss Akad Wiss, Vol. 30, pp. 614-650.

2. X. Chen et al. (2020). First-principles experimental demonstration of ferroelectricity in a thermotropic nematic liquid crystal: polar domains and striking electro-optics. PNAS, Vol. 117, No. 25, pp. 14021-14031.

3. L. Tian et al. (2026). Liquid crystal enabled nonlinear optics and quantum optics. Appl Phys Rev, Vol. 13.

4. I. Taghavi et al. (2025). GHz-rate optical phase shift in light-matter interaction- engineered, silicon-ferroelectric nematic liquid crystals. Nat Commun, Vol. 16, No. 8902.

5. L. Chiang et al. (November 2025). Ferro- electric nematic glass: an emerging candidate for next-generation high-speed silicon-organic electro-optic modulators. Proc IEEE Photonics Conference, Singapore.

6. K. Zhang et al. (March 2026). Ferroelectric nematic glass-based silicon photonics modulator for net 400 Gbps IM/DD transmission. Proc Optical Fiber Communications Conference (OFC), Los Angeles.

7. I. Taghavi et al. (March 2026). DC-to-GHz modulators in ferroelectric nematic liquid crystal-on-Si platforms. Proc Optical Fiber Communications Conference (OFC), Los Angeles.

来源：https://www.photonics.com/Articles/From-Displays-to-Datacom-Ferroelectric-Nematic/p5/a72530