Aproveitamento de Fosfeto de Gálio para Futuro Tecnologia da Informação

Fotografia de um chip GaP-on-insulator com dispositivos integrados sendo medidos com fibras ópticas. O brilho verde é a luz de terceiro harmônico gerada durante o bombeamento de um dos ressonadores de anel com um laser.

No artigo “Fotônica não linear de fosfeto de gálio integrada”, publicado recentemente na revista científica Nature Photonics, relatamos o desenvolvimento de dispositivos fotônicos de alto desempenho feitos de fosfeto de gálio semicondutor cristalino. Este trabalho representa um avanço na manipulação da luz com materiais semicondutores integrados em um chip. Ele abre a porta para uma infinidade de aplicativos que podem ter um impacto significativo na tecnologia da informação e no futuro da computação.

O fosfeto de gálio (GaP) tem sido um material importante na fotônica - a ciência e tecnologia da luz - desde 1960, formando a base para uma série de dispositivos emissores de luz. Apesar desse início precoce, a falta de métodos para fabricar estruturas GaP complexas em um chip impediu o desenvolvimento de dispositivos mais sofisticados, como circuitos integrados fotônicos. Recentemente, nossa equipe na IBM Research - Zurich inventou uma solução escalável e fabricável para integrar GaP de alta qualidade nos mesmos wafers usados ​​na indústria de eletrônicos. Junto com colegas da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), agora exploramos essa capacidade de criar dispositivos fotônicos on-chip excepcionais, anunciando uma nova era em que o GaP pode ser integrado a outros blocos de construção empregados em hardware de computação. Esperamos que a adição de GaP ao kit de ferramentas de fotônica tenha um grande impacto em aplicações tão diversas como telecomunicações, sensoriamento, astronomia e computação quântica.

Geração de pente de frequência no chip com GaP

Em nosso artigo, demonstramos as capacidades da plataforma GaP integrada por ressonadores de guia de onda de engenharia que produzem combs de frequência óptica. Um pente de frequência é uma fonte de luz com um espectro que consiste em uma série de linhas estreitas igualmente espaçadas. Tal espectro corresponde a um trem regular de pulsos de luz ultracurtos com uma taxa de repetição fixa. Com base no trabalho que remonta ao final dos anos 1970, os inventores dos pentes de frequência receberam o Prêmio Nobel de Física em 2005.

Pentes de frequência ótica são usados ​​hoje como 'réguas' óticas (um método de medir frequências óticas com precisão para criar, por exemplo, relógios óticos ultraprecisos), em espectroscopia de alta resolução e como um elo entre microondas e sinais óticos. Os instrumentos científicos necessários para gerar pentes de frequência podem ser volumosos e caros, enchendo um laboratório de óptica. Dispositivos fotônicos integrados oferecem uma alternativa atraente, pois podem ser operados em baixa potência, fabricados com baixo custo e combinados com dispositivos eletrônicos.

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

Mas os materiais usados ​​anteriormente para gerar tais pentes de frequência geralmente não operam em baixa potência ou não podem ser integrados em chips por não serem compatíveis com as técnicas de fabricação estabelecidas. Superamos esses desafios com nossa plataforma GaP. Geramos faixas de frequência Kerr de banda larga (> 100 nm) na banda C de telecomunicações com uma potência de limiar tão baixa quanto 3 mW. Devido à forte não linearidade de segunda ordem do GaP, também formamos pentes de frequência com o dobro da frequência, perto do espectro visível, e para certos dispositivos, observamos um laser Raman eficiente. A perda de propagação nesses dispositivos é de apenas 1,2 dB / cm - um valor extremamente baixo para uma tecnologia tão imatura e comparável aos guias de onda de silício sobre isolador de última geração.

O que há de tão especial no GaP?

GaP possui uma combinação atraente de um grande índice de refração ( n > 3 para comprimentos de onda de vácuo de até 4 μm) e um grande intervalo de banda eletrônico (2,26 eV). O primeiro permite que a luz seja confinada a um pequeno volume; o último implica uma ampla janela de transparência. Existem poucos materiais que exibem essas propriedades inerentemente conflitantes, pois normalmente há uma compensação entre o índice de refração e o bandgap. GaP oferece uma possibilidade única de criar dispositivos com forte confinamento de luz (volumes de modo pequeno), transparência no visível (λ _vac > 550 nm) e interação luz-matéria aprimorada. É importante ressaltar que a absorção de dois fótons nos comprimentos de onda de comunicação de dados típicos de 1310 nm e 1550 nm é dramaticamente diminuída em comparação com a fotônica de silício. Conseqüentemente, altas intensidades podem ser usadas, como freqüentemente ocorre em dispositivos nanofotônicos. Além disso, o GaP apresenta uma alta suscetibilidade não linear de segunda e terceira ordem, permitindo uma mistura eficiente de três e quatro ondas, os processos ópticos não lineares nos quais estamos interessados.

Numerosos aplicativos no horizonte

Além da geração de pente de frequência, nossos dispositivos GaP dobram e triplicam de forma eficiente a frequência da luz do laser, fornecendo um meio de fazer a conversão de comprimento de onda no chip. Esperamos que os processos não lineares possam ser estendidos para criar um supercontínuo, um amplo espectro de luz espacialmente coerente que pode ser usada para detecção, comunicações ópticas e medições científicas sofisticadas, como tomografia de coerência óptica para análise médica de tecidos biológicos. É importante ressaltar que nosso processo de fabricação é compatível com a eletrônica CMOS e independente da pilha de substrato subjacente. Portanto, os dispositivos GaP podem ser integrados monoliticamente com outras tecnologias fotônicas mais estabelecidas, como silício ou fotônica de fosfeto de índio, ou mesmo em um chip eletrônico CMOS, para realizar dispositivos híbridos complexos. Uma possibilidade é um modulador eletro-óptico totalmente integrado para interconexões ópticas de alta velocidade usadas em centros de dados e supercomputadores. Além dessas aplicações clássicas, a não linearidade óptica de segunda ordem do GaP poderia ser aproveitada para criar dispositivos que acoplam campos ópticos e de micro-ondas no nível de fótons individuais. Esses dispositivos serviriam como transdutores quânticos coerentes para conectar computadores quânticos supercondutores com cabos de fibra óptica. Como um todo, nosso artigo mostra as vantagens exclusivas da fotônica GaP integrada e sinaliza o surgimento de uma nova plataforma madura para fotônica não linear.