Galliumphosphid: Pionierarbeit Für On-Chip-Photonik Der Nächsten Informationsgeneration

Fotografie eines GaP-on-Insulator Chips mit integrierten Devices, vermessen mit Optischen Fasern. Das grüne Leuchten ist das dritte-Harmonische Licht, generiert während Pumpen eines Ringresonators mit Laser.

Im peer-reviewten Paper Integrated Gallium Phosphide Nonlinear Photonics, veröffentlicht in Nature Photonics, demonstriert unser Team einen Durchbruch in On-Chip-Lichtmanipulation mittels kristallinem Galliumphosphid (GaP). Diese Entwicklung erschließt ein breites Applikationsspektrum – Telekommunikation, Sensing, Astronomie und Quantencomputing – durch Ermöglichung High-Performance photonischer Devices, die nahtlos mit existierender Halbleitertechnologie integriert werden können.

Galliumphosphid war lange ein Eckpfeiler der Photonik, doch fehlende skalierbare Fertigungsmethoden limitierten seinen Einsatz auf basische Licht-emittierende Devices. Bei IBM Research – Zürich pionierten wir einen manufacturable Prozess, der hochqualitatives GaP auf Standard-Elektronik-Wafer aufbringt. Gekoppelt mit Partnern an EPFL produzieren wir nun ultra-kompakte photonische Schaltkreise, die mit Silizium, Indiumphosphid oder CMOS-Elektronik koexistieren können, markierend eine neue Ära für hybride Computing-Hardware.

On-Chip Frequenzkamm-Generierung

Wir illustrieren die Power unserer GaP-Plattform durch Engineering von Wellenleiter-Resonatoren, die breitbandige optische Frequenzkämme generieren. Diese Kämme – Arrays gleichmäßig verteilter Spektrallinien – dienen als optische „Lineale“ für ultrapräzise Uhren, hochauflösende Spektroskopie und Mikrowelle-zu-Optik-Signalkonversion. Traditionell erforderte Kamm-Generierung bulky, teure Equipment; unsere integrierte Lösung operiert bei niedriger Leistung, mit Schwelle von nur 3 mW, und ist kompatibel mit Massenproduktion.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines GaP-on-Insulator Wellenleiter-Ringresonators auf Siliziumchip.

GaPs starke Second-Order-Nonlinearität erlaubt simultane Generierung frequenzverdoppelten Lichts im nahen sichtbaren Spektrum, und bestimmte Devices zeigen effizientes Raman-Lasing. Die Wellenleiter displayen exzeptionell niedrige Propagationsverluste von 1,2 dB/cm, matchend State-of-the-Art Silicon-on-Insulator Performance bei überlegener nichtlinearer Interaktion.

Warum GaP Herausragt

GaP kombiniert hohen Brechungsindex (n > 3 für Wellenlängen bis 4 µm) mit breitem Bandgap (2,26 eV). Diese seltene Kombination liefert enge optische Konfinierung, breites Transparenzfenster reichend ins sichtbare Spektrum, und reduzierte Zwei-Photonen-Absorption bei 1310 nm und 1550 nm, enabling höhere optische Intensitäten in nanophotonischen Devices. Seine hohen Second- und Third-Order-Nonlinear-Suszeptibilitäten facilitieren effizientes Drei- und Vierwellen-Mischen, die Schlüsselprozesse hinter Frequenzkämmen, Wellenlängenkonversion und Superkontinuum-Generierung.

Breitspektrale Applikationen Am Horizont

Jenseits Kamm-Generierung performen unsere GaP-Devices On-Chip Frequenzverdopplung und -verdreifachung, eröffnend Avenues für kompakte Wellenlängenkonverter. Die Plattform unterstützt auch Superkontinuum-Generierung – eine breitbandige, kohärente Lichtquelle nützlich für fortschrittliches Sensing, optische Kommunikation und biomedizinische Imaging-Techniken wie Optical Coherence Tomography. Da der Fertigungsprozess voll CMOS-kompatibel und substrat-agnostisch ist, kann GaP monolithisch mit Silizium oder Indiumphosphid-Photonik, oder sogar mit elektronischen Schaltkreisen integriert werden, enabling komplexe hybride Systeme. Potenzielle Applikationen inkludieren High-Speed Electro-Optic Modulatoren für Rechenzentren, Quantum-Coherent Transducer verbindend supraleitende Qubits mit Optischen Fasern, und mehr.

Diese Arbeit wurde in Kollaboration zwischen IBM Research – Zürich und EPFL durchgeführt, unterstützt durch das European Union's Horizon 2020 Programme unter Grant Agreements No. 722923 (Marie Skłodowska-Curie H2020-ETN OMT) und No. 732894 (FET Proactive HOT).