Fosfeto de Gálio: Pioneirismo em Fotônica On-Chip para a Próxima Geração de Tecnologia da Informação

Fotografia de chip GaP-on-insulator com dispositivos integrados sendo medidos com fibras ópticas. O brilho verde é a luz de terceira harmônica gerada ao bombear um dos ressonadores de anel com laser.

No artigo revisado por pares Integrated Gallium Phosphide Nonlinear Photonics publicado na Nature Photonics, nossa equipe demonstra um avanço na manipulação de luz on-chip usando fosfeto de gálio cristalino (GaP). Este desenvolvimento desbloqueia um amplo espectro de aplicações — telecomunicações, sensoriamento, astronomia e computação quântica — ao permitir dispositivos fotônicos de alto desempenho que podem ser integrados perfeitamente com tecnologia semicondutora existente.

O fosfeto de gálio há muito é uma pedra angular da fotônica, mas a falta de métodos de fabricação escaláveis limitou seu uso a dispositivos básicos de emissão de luz. Na IBM Research – Zurique, pioneiramos um processo manufaturável que deposita GaP de alta qualidade em wafers eletrônicos padrão. Em parceria com a EPFL, agora produzimos circuitos fotônicos ultracompactos que podem coexistir com silício, fosfeto de índio ou eletrônica CMOS, marcando uma nova era para hardware de computação híbrida.

Geração de Pente de Frequência On-Chip

Ilustramos o poder de nossa plataforma GaP ao projetar ressonadores de guia de onda que geram pentes de frequência óptica de banda larga. Esses pentes — arrays de linhas espectrais igualmente espaçadas — servem como 'réguas' ópticas para relógios ultraprecisos, espectroscopia de alta resolução e conversão de sinal micro-ondas para óptico. Tradicionalmente, a geração de pentes exigia equipamentos volumosos e caros; nossa solução integrada opera a baixa potência, com limiar de apenas 3 mW, e é compatível com produção em massa.

Imagem de microscópio eletrônico de varredura de ressonador de anel de guia de onda GaP-on-insulator em chip de silício.

A forte não-linearidade de segunda ordem do GaP permite geração simultânea de luz dobrada em frequência próximo ao espectro visível, e certos dispositivos exibem lasing Raman eficiente. Os guias de onda exibem perda de propagação excepcionalmente baixa de 1,2 dB/cm, igualando desempenho state-of-the-art de silicon-on-insulator enquanto oferecem interação não-linear superior.

Por Que o GaP Se Destaca

O GaP combina alto índice de refração (n > 3 para comprimentos de onda até 4 µm) com larga banda proibida (2,26 eV). Esta rara combinação proporciona confinamento óptico apertado, janela de transparência ampla estendendo-se ao visível, e reduzida absorção de dois fótons em 1310 nm e 1550 nm, permitindo intensidades ópticas mais altas em dispositivos nanofotônicos. Suas altas susceptibilidades não-lineares de segunda e terceira ordem facilitam mistura eficiente de três e quatro ondas, processos-chave por trás de pentes de frequência, conversão de comprimento de onda e geração de supercontinuum.

Aplicações de Amplo Espectro no Horizonte

Além da geração de pentes, nossos dispositivos GaP realizam duplicação e triplicação de frequência on-chip, abrindo caminhos para conversores de comprimento de onda compactos. A plataforma também suporta geração de supercontinuum — fonte de luz coerente de banda larga útil para sensoriamento avançado, comunicação óptica e técnicas de imagem biomédica como tomografia de coerência óptica. Como o processo de fabricação é totalmente compatível com CMOS e agnóstico a substrato, o GaP pode ser integrado monoliticamente com fotônica de silício ou fosfeto de índio, ou até com circuitos eletrônicos, permitindo sistemas híbridos complexos. Aplicações potenciais incluem moduladores eletro-ópticos de alta velocidade para data centers, transdutores quântico-coerentes ligando qubits supercondutores a fibras ópticas, e além.

Este trabalho foi realizado em colaboração entre IBM Research – Zurique e EPFL, apoiado pelo Programa Horizon 2020 da União Europeia sob acordos de subvenção No. 722923 (Marie Skłodowska‑Curie H2020‑ETN OMT) e No. 732894 (FET Proactive HOT).