Gallium Fosfaat: Pioneren van On-Chip Photonica voor Next-Gen Informatietechnologie

Foto van een GaP-on-isolator chip met geïntegreerde apparaten gemeten met optische vezels. De groene gloed is de derde-harmonische licht gegenereerd tijdens het pompen van een van de ring resonators met een laser.

In het peer-reviewed paper Integrated Gallium Phosphide Nonlinear Photonics gepubliceerd in Nature Photonics, demonstreert ons team een doorbraak in on-chip lichtmanipulatie gebruikmakend van kristallijn gallium fosfaat (GaP). Deze ontwikkeling ontgrendelt een breed spectrum toepassingen - telecommunicatie, sensing, astronomie en kwantumcomputing - door high-performance fotonische apparaten mogelijk te maken die naadloos geïntegreerd kunnen worden met bestaande halfgeleider technologie.

Gallium fosfaat is lang een hoeksteen van photonica geweest, toch limiteerde het gebrek aan schaalbare fabricatiemethoden het gebruik tot basis licht-emitterende apparaten. Bij IBM Research - Zürich hebben wij een produceerbaar proces gepioneerd dat hoogwaardige GaP op standaard elektronische wafers laagt. Gekoppeld met partners bij EPFL, produceren wij nu ultra-compacte fotonische circuits die kunnen coëxisteren met silicium, indium-fosfaat, of CMOS elektronica, wat een nieuw tijdperk markeert voor hybride computing hardware.

On-Chip Frequentie Kam Generatie

Wij illustreren de kracht van ons GaP platform door golfgids resonators te engineeren die breedband optische frequentie kammen genereren. Deze kammen - arrays van gelijkmatig verdeelde spectrale lijnen - dienen als optische 'linialen' voor ultraprecieze klokken, hoge-resolutie spectroscopie, en microgolf-naar-optische signaalconversie. Traditioneel vereiste kam generatie bulky, dure apparatuur; onze geïntegreerde oplossing opereert bij laag vermogen, met een drempel van slechts 3mW, en is compatibel met massaproductie.

Scanning elektronenmicroscoop beeld van een GaP-on-isolator golfgids ring resonator op een silicium chip.

GaP's sterke tweede-orde non-lineariteit toelaat gelijktijdige generatie van frequentie-verdubbeld licht nabij het zichtbare spectrum, en bepaalde apparaten tonen efficiënte Raman lasing. De golfgids tonen een uitzonderlijk lage propagatieverlies van 1,2dB/cm, matchend state-of-the-art silicium-on-isolator prestaties terwijl superieure non-lineaire interactie bieden.

Waarom GaP Uitblinkt

GaP combineert een hoge brekingsindex (n > 3 voor golflengtes tot 4µm) met een wijd bandgap (2,26eV). Deze zeldzame combinatie levert strakke optische insluiting, een breed transparantievenster uitstrekend in het zichtbare, en verminderde twee-foton absorptie bij 1310nm en 1550nm, wat hogere optische intensiteiten in nanofotonische apparaten mogelijk maakt. Zijn hoge tweede- en derde-orde non-lineaire susceptibiliteiten faciliteren efficiënte drie- en vier-golf mixing, de sleutelprocessen achter frequentiekammen, golflengteconversie en supercontinuum generatie.

Breed-Spectrum Toepassingen op de Horizon

Naast kam generatie, voeren onze GaP apparaten on-chip frequentie verdubbeling en verdrievoudiging uit, wat avenues opent voor compacte golflengteconverters. Het platform ondersteunt ook supercontinuum generatie - een breedband, coherente lichtbron nuttig voor geavanceerde sensing, optische communicatie en biomedische imaging technieken zoals optische coherentie tomografie. Omdat het fabricatieproces volledig CMOS-compatibel en substraat-agnostisch is, kan GaP monolithisch geïntegreerd worden met silicium of indium-fosfaat photonica, of zelfs met elektronische circuits, wat complexe hybride systemen mogelijk maakt. Potentiële toepassingen omvatten high-speed electro-optische modulators voor datacenters, kwantum-coherente transducers die supergeleidende qubits koppelen aan optische vezels, en verder.

Dit werk werd uitgevoerd in samenwerking tussen IBM Research - Zürich en EPFL, ondersteund door de Europese Unie's Horizon 2020 Programma onder grant agreements No. 722923 (Marie Skłodowska-Curie H2020-ETN OMT) en No. 732894 (FET Proactive HOT).