Использование фосфида галлия для информационных технологий будущего

Фотография микросхема GaP-на-изоляторе со встроенными приборами, измеряемыми с помощью оптических волокон. Зеленое свечение - это свет третьей гармоники, генерируемый при накачке лазером одного из кольцевых резонаторов.

В статье «Комплексная нелинейная фотоника из фосфида галлия», недавно опубликованной в рецензируемом журнале Nature Photonics, мы сообщаем о разработке высокоэффективных фотонных устройств, изготовленных из кристаллического полупроводника фосфида галлия. Эта работа представляет собой прорыв в управлении светом с помощью полупроводниковых материалов, встроенных в микросхему. Он открывает двери для множества приложений, которые могут оказать существенное влияние на информационные технологии и будущее вычислений.

Фосфид галлия (GaP) является важным материалом в фотонике - науке и технологии света - с 1960-х годов, формируя основу для ряда светоизлучающих устройств. Несмотря на это раннее начало, отсутствие методов изготовления сложных структур GaP на кристалле препятствовало разработке более сложных устройств, таких как фотонные интегральные схемы. Недавно наша команда из IBM Research - Zurich изобрела масштабируемое и технологичное решение для интеграции высококачественного GaP на тех же пластинах, которые используются в электронной промышленности. Вместе с коллегами из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) мы теперь использовали эту возможность для создания исключительных фотонных устройств на кристалле, открывая новую эру, в которой GaP может быть интегрирован с другими строительными блоками, используемыми в вычислительном оборудовании. Мы ожидаем, что добавление GaP в набор инструментов для фотоники окажет серьезное влияние на такие разнообразные приложения, как телекоммуникации, зондирование, астрономия и квантовые вычисления.

Генерация частотной гребенки на кристалле с помощью GaP

В нашей статье мы демонстрируем возможности интегрированной платформы GaP, создавая волноводные резонаторы, создающие гребенки оптических частот. Частотная гребенка - это источник света со спектром, состоящим из серии равномерно расположенных узких линий. Такой спектр соответствует регулярной серии ультракоротких световых импульсов с фиксированной частотой следования. Основываясь на работах конца 1970-х годов, изобретатели частотных гребенок были удостоены Нобелевской премии по физике в 2005 году.

Сегодня гребенки оптических частот используются как оптические «линейки» (метод точного измерения оптических частот для создания, например, сверхточных оптических часов), в спектроскопии высокого разрешения и как связующее звено между микроволновыми и оптическими сигналами. Научные инструменты, необходимые для создания частотных гребенок, могут быть громоздкими и дорогими, заполняя оптическую лабораторию. Интегрированные фотонные устройства представляют собой привлекательную альтернативу, поскольку они могут работать с низким энергопотреблением, производиться с низкими затратами и сочетаться с электронными устройствами.

Изображение кольцевого резонатора волновода на основе GaP на изоляторе на кремниевом кристалле, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Но материалы, которые ранее использовались для создания таких частотных гребенок, обычно либо не работают с низким энергопотреблением, либо не могут быть интегрированы в микросхемы, потому что они несовместимы с установленными технологиями производства. Мы преодолели эти проблемы с помощью нашей платформы GaP. Мы генерируем широкополосные (> 100 нм) гребенки частот Керра в телекоммуникационном C-диапазоне с пороговой мощностью всего 3 мВт. Из-за сильной нелинейности второго порядка GaP мы также одновременно формируем частотные гребенки на удвоенной частоте, близкой к видимой области спектра, а для некоторых устройств мы наблюдаем эффективную комбинационную генерацию. Потери при распространении в этих устройствах составляют всего 1,2 дБ / см - чрезвычайно низкое значение для такой незрелой технологии и сопоставимо с современными волноводами «кремний на изоляторе».

Что такого особенного в GaP?

GaP обладает привлекательной комбинацией большого показателя преломления ( n > 3 для длин волн в вакууме до 4 мкм) и большой шириной запрещенной зоны для электронов (2,26 эВ). Первый позволяет ограничить свет в небольшом объеме; последнее подразумевает широкое окно прозрачности. Есть несколько материалов, которые демонстрируют эти по своей сути противоречивые свойства, поскольку обычно существует компромисс между показателем преломления и шириной запрещенной зоны. GaP предлагает уникальную возможность создания устройств с сильным удержанием света (малые модовые объемы), прозрачностью в видимом диапазоне (λ _vac > 550 нм) и улучшенное взаимодействие света с веществом. Важно отметить, что двухфотонное поглощение на типичных длинах волн передачи данных 1310 нм и 1550 нм резко уменьшается по сравнению с кремниевой фотоникой. Следовательно, можно использовать высокие интенсивности, как это часто бывает в нанофотонных устройствах. Кроме того, GaP обладает высокой нелинейной восприимчивостью второго и третьего порядков, что обеспечивает эффективное трех- и четырехволновое смешение - нелинейные оптические процессы, которые нас интересуют.

На горизонте появятся многочисленные приложения

Помимо генерации частотных гребенок, наши GaP-устройства эффективно удваивают и утраивают частоту лазерного излучения, предоставляя средства для преобразования длины волны на кристалле. Мы ожидаем, что нелинейные процессы могут быть расширены для создания суперконтинуума, широкого спектра пространственно когерентного света, который можно использовать для зондирования, оптической связи и сложных научных измерений, таких как оптическая когерентная томография для медицинского анализа биологических тканей. Важно отметить, что наш производственный процесс совместим с КМОП-электроникой и не зависит от лежащего в основе набора подложек. Следовательно, устройства GaP могут быть монолитно интегрированы с другими более устоявшимися фотонными технологиями, такими как кремниевая или фосфид индия-фотоники, или даже на микросхеме электроники КМОП, для реализации сложных гибридных устройств. Одна из возможностей - полностью интегрированный электрооптический модулятор для высокоскоростных оптических межсоединений, используемых в центрах обработки данных и суперкомпьютерах. Помимо таких классических приложений, оптическая нелинейность второго порядка GaP может быть использована для создания устройств, связывающих оптические и микроволновые поля на уровне отдельных фотонов. Такие устройства будут служить квантово-когерентными преобразователями для соединения сверхпроводящих квантовых компьютеров с помощью волоконно-оптических кабелей. В целом, наша статья демонстрирует уникальные преимущества интегрированной фотоники на основе GaP и свидетельствует о появлении новой зрелой платформы для нелинейной фотоники.

Эта работа была проведена в сотрудничестве между IBM Research - Zurich и Федеральной политехнической школой Лозанны (EPFL) при поддержке программы Европейского Союза по исследованиям и инновациям Horizon 2020 в рамках грантового соглашения № 722923 (Мария Склодовская-Кюри H2020-ETN OMT) и № 732894 (FET Proactive HOT). Рисунок 2