Nutzung von Galliumphosphat für die Informationstechnologie der Zukunft

Foto von ein GaP-auf-Isolator-Chip mit integrierten Geräten, die mit optischen Fasern gemessen werden. Das grüne Leuchten ist das Licht der dritten Harmonischen, das beim Pumpen eines der Ringresonatoren mit einem Laser erzeugt wird.

In dem kürzlich im Peer-Review-Journal Nature Photonics erschienenen Artikel „Integrated gallium phosphide nonlinear photonics“ berichten wir über die Entwicklung hochleistungsfähiger photonischer Bauelemente aus dem kristallinen Halbleiter Galliumphosphid. Diese Arbeit stellt einen Durchbruch in der Manipulation von Licht mit auf einem Chip integrierten Halbleitermaterialien dar. Es öffnet die Tür zu einer Vielzahl von Anwendungen, die erhebliche Auswirkungen auf die Informationstechnologie und die Zukunft des Computers haben könnten.

Galliumphosphid (GaP) ist seit den 1960er Jahren ein wichtiges Material in der Photonik – der Wissenschaft und Technologie des Lichts – und bildet die Grundlage für eine Reihe von Licht emittierenden Geräten. Trotz dieses frühen Starts hat das Fehlen von Methoden zur Herstellung komplexer GaP-Strukturen auf einem Chip die Entwicklung komplexerer Bauelemente, wie beispielsweise photonischer integrierter Schaltungen, verhindert. Vor kurzem hat unser Team von IBM Research – Zurich eine skalierbare und herstellbare Lösung für die Integration von hochwertigem GaP auf denselben Wafern entwickelt, die auch in der Elektronikindustrie verwendet werden. Zusammen mit Kollegen der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) haben wir diese Fähigkeit nun genutzt, um außergewöhnliche photonische On-Chip-Bauelemente zu entwickeln, die eine neue Ära einläuten, in der GaP mit anderen in Computerhardware verwendeten Bausteinen integriert werden kann. Wir erwarten, dass die Aufnahme von GaP in das Photonik-Toolkit einen großen Einfluss auf so unterschiedliche Anwendungen wie Telekommunikation, Sensorik, Astronomie und Quantencomputing haben wird.

Frequenzkammerzeugung auf dem Chip mit GaP

In unserem Paper demonstrieren wir die Fähigkeiten der integrierten GaP-Plattform, indem wir Wellenleiterresonatoren entwickeln, die optische Frequenzkämme erzeugen. Ein Frequenzkamm ist eine Lichtquelle mit einem Spektrum, das aus einer Reihe von gleichmäßig beabstandeten schmalen Linien besteht. Ein solches Spektrum entspricht einem regelmäßigen Zug ultrakurzer Lichtpulse mit einer festen Wiederholungsrate. Basierend auf Arbeiten, die bis in die späten 1970er Jahre zurückreichen, erhielten die Erfinder der Frequenzkämme 2005 den Nobelpreis für Physik.

Optische Frequenzkämme werden heute als optische „Lineale“ (eine Methode zur präzisen Messung optischer Frequenzen, um beispielsweise ultrapräzise optische Uhren zu erzeugen), in der hochauflösenden Spektroskopie und als Bindeglied zwischen Mikrowellen- und optischen Signalen verwendet. Die wissenschaftlichen Instrumente, die zur Erzeugung von Frequenzkämmen erforderlich sind, können sperrig und teuer sein und ein Optiklabor füllen. Integrierte photonische Geräte bieten eine attraktive Alternative, da sie mit geringem Stromverbrauch betrieben, kostengünstig hergestellt und mit elektronischen Geräten kombiniert werden können.

Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines GaP-auf-Isolator-Wellenleiter-Ringresonators auf einem Siliziumchip.

Die bisher verwendeten Materialien zur Erzeugung solcher Frequenzkämme arbeiten jedoch meist entweder nicht mit geringer Leistung oder lassen sich nicht auf Chips integrieren, da sie mit den etablierten Fertigungstechniken nicht kompatibel sind. Diese Herausforderungen haben wir mit unserer GaP-Plattform gemeistert. Wir erzeugen breitbandige (>100 nm) Kerr-Frequenzkämme im Telekommunikations-C-Band mit einer Schwellenleistung von nur 3 mW. Wegen der starken Nichtlinearität zweiter Ordnung von GaP bilden wir auch gleichzeitig Frequenzkämme bei doppelter Frequenz, nahe dem sichtbaren Spektrum, und bei bestimmten Geräten beobachten wir effizientes Raman-Lasern. Der Ausbreitungsverlust in diesen Geräten beträgt nur 1,2 dB/cm – ein bemerkenswert niedriger Wert für eine so unausgereifte Technologie und vergleichbar mit modernsten Silizium-auf-Isolator-Wellenleitern.

Was ist das Besondere an GaP?

GaP besitzt eine attraktive Kombination aus einem großen Brechungsindex (n> 3 für Vakuumwellenlängen bis 4 μm) und eine große elektronische Bandlücke (2,26 eV). Ersteres ermöglicht es, Licht auf ein kleines Volumen zu beschränken; letzteres impliziert ein breites Transparenzfenster. Es gibt wenige Materialien, die diese inhärent widersprüchlichen Eigenschaften aufweisen, da typischerweise ein Kompromiss zwischen Brechungsindex und Bandlücke besteht. GaP bietet eine einzigartige Möglichkeit, Geräte mit starkem Lichteinschluss (kleine Modenvolumina), Transparenz ins Sichtbare (λ_vac> 550 nm) und verstärkte Licht-Materie-Wechselwirkung. Wichtig ist, dass die Zweiphotonenabsorption bei den typischen Datenkommunikationswellenlängen von 1310 nm und 1550 nm im Vergleich zur Siliziumphotonik dramatisch verringert wird. Folglich können hohe Intensitäten verwendet werden, wie es häufig bei nanophotonischen Geräten vorkommt. Darüber hinaus zeichnet sich GaP durch eine hohe nichtlineare Suszeptibilität zweiter und dritter Ordnung aus, was eine effiziente Drei- und Vierwellenmischung ermöglicht, die nichtlinearen optischen Prozesse, an denen wir interessiert sind.

Zahlreiche Anwendungen in Sicht

Neben der Frequenzkammerzeugung verdoppeln und verdreifachen unsere GaP-Bauelemente die Frequenz des Laserlichts effizient und bieten so eine Möglichkeit zur Wellenlängenkonvertierung auf dem Chip. Wir erwarten, dass die nichtlinearen Prozesse erweitert werden können, um ein Superkontinuum zu erzeugen, ein breites Spektrum an räumlich kohärentem Licht, das für die Sensorik, optische Kommunikation und anspruchsvolle wissenschaftliche Messungen wie die optische Kohärenztomographie für die medizinische Analyse von biologischem Gewebe verwendet werden kann. Wichtig ist, dass unser Herstellungsprozess mit CMOS-Elektronik kompatibel und unabhängig vom darunterliegenden Substratstapel ist. Daher können die GaP-Bauelemente monolithisch mit anderen etablierteren photonischen Technologien wie Silizium- oder Indiumphosphid-Photonik oder sogar auf einem CMOS-Elektronikchip integriert werden, um komplexe Hybridbauelemente zu realisieren. Eine Möglichkeit ist ein vollständig integrierter elektrooptischer Modulator für optische Hochgeschwindigkeitsverbindungen, wie er in Rechenzentren und Supercomputern verwendet wird. Über solche klassischen Anwendungen hinaus könnte die optische Nichtlinearität zweiter Ordnung von GaP genutzt werden, um Geräte zu schaffen, die optische und Mikrowellenfelder auf der Ebene einzelner Photonen koppeln. Solche Geräte würden als quantenkohärente Wandler dienen, um supraleitende Quantencomputer mit Glasfaserkabeln zu verbinden. Insgesamt zeigt unser Paper die einzigartigen Vorteile der integrierten GaP-Photonik und signalisiert das Aufkommen einer ausgereiften neuen Plattform für nichtlineare Photonik.

Diese Arbeit wurde in Zusammenarbeit zwischen IBM Research – Zürich und der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) durchgeführt und durch das Horizon 2020-Programm für Forschung und Innovation der Europäischen Union im Rahmen der Fördervereinbarungen Nr. 722923 (Marie Skłodowska-Curie .) unterstützt H2020-ETN OMT) und Nr. 732894 (FET Proactive HOT). Abbildung 2