Galliumfosfide benutten voor toekomstige informatietechnologie

Foto van een GaP-op-isolator-chip met geïntegreerde apparaten die worden gemeten met optische vezels. De groene gloed is het derde harmonische licht dat wordt gegenereerd terwijl een van de ringresonatoren met een laser wordt rondgepompt.

In het artikel "Integrated gallium phosphide nonlinear photonics", onlangs gepubliceerd in het peer-reviewed tijdschrift Nature Photonics, rapporteren we over de ontwikkeling van hoogwaardige fotonische apparaten gemaakt van de kristallijne halfgeleider galliumfosfide. Dit werk betekent een doorbraak in de manipulatie van licht met op een chip geïntegreerde halfgeleidermaterialen. Het opent de deur naar een groot aantal toepassingen die een aanzienlijke impact kunnen hebben op de informatietechnologie en de toekomst van computers.

Galliumfosfide (GaP) is sinds de jaren zestig een belangrijk materiaal in de fotonica - de wetenschap en technologie van licht - en vormt de basis voor een reeks lichtemitterende apparaten. Ondanks deze vroege start, heeft het gebrek aan methoden om complexe GaP-structuren op een chip te fabriceren, de ontwikkeling van meer geavanceerde apparaten, zoals fotonische geïntegreerde schakelingen, verhinderd. Onlangs heeft ons team bij IBM Research - Zürich een schaalbare en produceerbare oplossing uitgevonden voor het integreren van GaP van hoge kwaliteit op dezelfde wafers die worden gebruikt in de elektronica-industrie. Samen met collega's van de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), hebben we deze mogelijkheid nu benut om uitzonderlijke on-chip fotonische apparaten te maken, waarmee een nieuw tijdperk wordt ingeluid waarin GaP kan worden geïntegreerd met andere bouwstenen die worden gebruikt in computerhardware. We verwachten dat de toevoeging van GaP aan de fotonica-toolkit een grote impact zal hebben op uiteenlopende toepassingen als telecommunicatie, waarneming, astronomie en kwantumcomputers.

On-chip frequentiekam generatie met GaP

In ons artikel demonstreren we de mogelijkheden van het geïntegreerde GaP-platform door golfgeleiderresonatoren te ontwerpen die optische frequentiekammen produceren. Een frequentiekam is een lichtbron met een spectrum dat bestaat uit een reeks op gelijke afstand van elkaar gelegen smalle lijnen. Een dergelijk spectrum komt overeen met een regelmatige trein van ultrakorte lichtpulsen met een vaste herhalingsfrequentie. Gebaseerd op werk dat teruggaat tot het einde van de jaren zeventig, kregen de uitvinders van frequentiekammen in 2005 de Nobelprijs voor natuurkunde.

Optische frequentiekammen worden tegenwoordig gebruikt als optische 'linialen' (een methode om optische frequenties nauwkeurig te meten om bijvoorbeeld ultraprecieze optische klokken te creëren), bij spectroscopie met hoge resolutie en als verbinding tussen microgolf- en optische signalen. De wetenschappelijke instrumenten die nodig zijn om frequentiekammen te genereren, kunnen omvangrijk en duur zijn en een optisch laboratorium vullen. Geïntegreerde fotonische apparaten bieden een aantrekkelijk alternatief, omdat ze met een laag vermogen kunnen worden gebruikt, tegen lage kosten kunnen worden vervaardigd en gecombineerd met elektronische apparaten.

Scanning-elektronenmicroscoopbeeld van een GaP-op-isolator golfgeleiderringresonator op een siliciumchip.

Maar de materialen die eerder werden gebruikt om dergelijke frequentiekammen te genereren, werken meestal niet op een laag vermogen of kunnen niet op chips worden geïntegreerd omdat ze niet compatibel zijn met de gevestigde fabricagetechnieken. We hebben deze uitdagingen overwonnen met ons GaP-platform. We genereren breedband (>100 nm) Kerr frequentiekammen in de telecommunicatie C-band met een drempelvermogen zo laag als 3 mW. Vanwege de sterke niet-lineariteit van de tweede orde van GaP, vormen we tegelijkertijd frequentiekammen met dubbele frequentie, dicht bij het zichtbare spectrum, en voor bepaalde apparaten nemen we efficiënte Raman-lasing waar. Het voortplantingsverlies in deze apparaten is slechts 1,2 dB/cm - een opmerkelijk lage waarde voor zo'n onvolwassen technologie en vergelijkbaar met ultramoderne silicium-op-isolator-golfgeleiders.

Wat is er zo speciaal aan GaP?

GaP heeft een aantrekkelijke combinatie van een grote brekingsindex (n> 3 voor vacuümgolflengten tot 4 μm) en een grote elektronische bandgap (2,26 eV). Met de eerste kan het licht worden beperkt tot een klein volume; de laatste impliceert een breed transparantievenster. Er zijn maar weinig materialen die deze inherent tegenstrijdige eigenschappen vertonen, aangezien er typisch een afweging is tussen brekingsindex en bandgap. GaP biedt een unieke mogelijkheid om apparaten te maken met een sterke lichtbeperking (kleine modusvolumes), transparantie in het zichtbare (λ_vac> 550 nm) en verbeterde licht-materie interactie. Belangrijk is dat de absorptie van twee fotonen bij de typische datacommunicatiegolflengten van 1310 nm en 1550 nm dramatisch verminderd is in vergelijking met siliciumfotonica. Bijgevolg kunnen hoge intensiteiten worden gebruikt, zoals vaak voorkomt in nanofotonische apparaten. Bovendien heeft GaP een hoge niet-lineaire gevoeligheid van de tweede en derde orde, wat een efficiënte drie- en viergolfmenging mogelijk maakt, de niet-lineaire optische processen waarin we geïnteresseerd zijn.

Vele toepassingen in het verschiet

Naast het genereren van frequentiekammen, verdubbelen en verdrievoudigen onze GaP-apparaten efficiënt de frequentie van laserlicht, wat een middel biedt om on-chip golflengteconversie uit te voeren. We verwachten dat de niet-lineaire processen kunnen worden uitgebreid om een ​​supercontinuüm te creëren, een breed spectrum van ruimtelijk coherent licht dat kan worden gebruikt voor detectie, optische communicatie en geavanceerde wetenschappelijke metingen zoals optische coherentietomografie voor medische analyse van biologische weefsels. Belangrijk is dat ons fabricageproces compatibel is met CMOS-elektronica en onafhankelijk is van de onderliggende substraatstapel. Daarom kunnen de GaP-apparaten monolithisch worden geïntegreerd met andere meer gevestigde fotonische technologieën, zoals silicium- of indiumfosfide-fotonica, of zelfs op een CMOS-elektronicachip, om complexe hybride apparaten te realiseren. Een mogelijkheid is een volledig geïntegreerde elektro-optische modulator voor high-speed optische interconnects zoals gebruikt in datacenters en supercomputers. Naast dergelijke klassieke toepassingen zou de optische niet-lineariteit van de tweede orde van GaP kunnen worden benut om apparaten te creëren die optische en microgolfvelden op het niveau van individuele fotonen koppelen. Dergelijke apparaten zouden dienen als kwantumcoherente transducers voor het verbinden van supergeleidende kwantumcomputers met glasvezelkabels. Als geheel toont ons artikel de unieke voordelen van geïntegreerde GaP-fotonica en signaleert het de opkomst van een volwassen nieuw platform voor niet-lineaire fotonica.