Фосфид галлия: пионерство он-чип фотоники для следующего поколения информационных технологий

Фотография GaP-on-insulator чипа с интегрированными устройствами, измеряемая оптическими волокнами. Зеленое свечение — третья гармоника света, генерируемая при накачке одного из кольцевых резонаторов лазером.

В рецензируемой статье Integrated Gallium Phosphide Nonlinear Photonics, опубликованной в Nature Photonics, наша команда демонстрирует прорыв в он-чип манипуляции светом, используя кристаллический фосфид галлия (GaP). Это развитие разблокирует широкий спектр приложений — телекоммуникации, сенсинг, астрономия и квантовые вычисления — позволяя высокопроизводительным фотоническим устройствам бесшовно интегрироваться с существующей полупроводниковой технологией.

Фосфид галлия давно был краеугольным камнем фотоники, однако отсутствие масштабируемых фabricационных методов ограничивало его использование базовыми световспускающими устройствами. В IBM Research – Zurich мы пионерировали производимый процесс, наносящий высококачественный GaP на стандартные электронные вейферы. В партнерстве с коллегами в EPFL, мы теперь производим ультра-компактные фотонические схемы, способные сосуществовать с кремнием, индий-фосфидом или CMOS электроникой, отмечая новую эру для гибридного вычислительного железа.

Он-чип генерация частотных гребенок

Мы иллюстрируем силу нашей GaP платформы, инженерируя волноводные резонаторы, генерирующие широкополосные оптические частотные гребенки. Эти гребенки — массивы равноотстоящих спектральных линий — служат оптическими «линейками» для ультра-точных часов, высокоразрешающей спектроскопии и микроволна-в-оптический сигнальный конвертации. Традиционно генерация гребенок требовала громоздкого, дорогого оборудования; наше интегрированное решение работает при низкой мощности, с порогом всего 3 мВт, и совместимо с массовым производством.

Сканирующий электронный микроскоп изображение GaP-on-insulator волноводного кольцевого резонатора на кремниевом чипе.

GaP's сильная вторая-порядковая нелинейность позволяет одновременную генерацию удвоенной частоты света близ видимого спектра, и определенные устройства демонстрируют эффективный Рамановский лазинг. Волноводы демонстрируют исключительно низкие потери распространения 1.2 дБ/см, сопоставимые с state-of-the-art кремний-на-изоляторе производительностью, в то время как предлагая превосходное нелинейное взаимодействие.

Почему GaP выделяется

GaP комбинирует высокий показатель преломления (n > 3 для длин волн до 4 мкм) с широкой бандгэп (2.26 эВ). Это редкое сочетание доставляет тесное оптическое конфиnement, широкое окно прозрачности, расширяющееся в видимый, и сниженное двухфотонное поглощение на 1310 нм и 1550 нм, позволяя более высокие оптические интенсивности в нанофотонических устройствах. Его высокие вторая- и третья-порядковые нелинейные susceptibilities облегчают эффективное трех- и четырехволновое смешивание, ключевые процессы за частотными гребенками, преобразованием длины волны и суперконтинуум генерацией.

Широкоспектральные приложения на горизонте

Помимо генерации гребенок, наши GaP устройства выполняют он-чип удвоение и утроение частоты, открывая avenues для компактных конвертеров длины волны. Платформа также поддерживает суперконтинуум генерацию — широкополосный когерентный источник света, полезный для передовых сенсингов, оптической коммуникации и биомедицинских техник визуализации таких как оптическая когерентная томография. Поскольку фabricационный процесс полностью CMOS-совместим и субстрат-агностичен, GaP может быть моно-литически интегрирован с кремнием или индий-фосфидом фотоникой, или даже с электронными схемами, позволяя сложные гибридные системы. Потенциальные приложения включают высокоскоростные электро-оптические модуляторы для дата-центров, квантово-когерентные трансдюсеры, связывающие сверхпроводящие кубиты с оптическими волокнами, и далее.

Эта работа проведена в сотрудничестве между IBM Research – Zurich и EPFL, поддержана Европейским Союзом Horizon 2020 Программой под грант agreements No. 722923 (Marie Skłodowska‑Curie H2020‑ETN OMT) и No. 732894 (FET Proactive HOT).