Memanfaatkan Gallium Phosphide untuk Teknologi Informasi Masa Depan

Foto chip GaP-on-insulator dengan perangkat terintegrasi yang diukur dengan serat optik. Cahaya hijau adalah cahaya harmonik ketiga yang dihasilkan saat memompa salah satu resonator cincin dengan laser.

Dalam makalah “Integrated gallium phosphide nonlinier photonics”, baru-baru ini diterbitkan dalam jurnal peer-review Nature Photonics, kami melaporkan pengembangan perangkat fotonik berkinerja tinggi yang terbuat dari semikonduktor kristalin gallium phosphide. Karya ini merupakan terobosan dalam manipulasi cahaya dengan bahan semikonduktor yang terintegrasi pada sebuah chip. Ini membuka pintu ke banyak aplikasi yang dapat memiliki dampak signifikan pada teknologi informasi dan masa depan komputasi.

Gallium phosphide (GaP) telah menjadi bahan penting dalam fotonik - ilmu pengetahuan dan teknologi cahaya - sejak tahun 1960-an, membentuk dasar untuk berbagai perangkat pemancar cahaya. Terlepas dari permulaan awal ini, kurangnya metode untuk membuat struktur GaP yang kompleks pada sebuah chip telah mencegah pengembangan perangkat yang lebih canggih, seperti sirkuit terpadu fotonik. Baru-baru ini, tim kami di IBM Research – Zurich menemukan solusi terukur dan dapat diproduksi untuk mengintegrasikan GaP berkualitas tinggi pada wafer yang sama seperti yang digunakan dalam industri elektronik. Bersama dengan rekan-rekan dari cole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), kami sekarang telah memanfaatkan kemampuan ini untuk menciptakan perangkat fotonik on-chip yang luar biasa, menandai era baru di mana GaP dapat diintegrasikan dengan blok bangunan lain yang digunakan dalam perangkat keras komputasi. Kami berharap penambahan GaP ke toolkit fotonik memiliki dampak besar pada aplikasi yang beragam seperti telekomunikasi, penginderaan, astronomi, dan komputasi kuantum.

Pembuatan sisir frekuensi dalam chip dengan GaP

Dalam makalah kami, kami mendemonstrasikan kemampuan platform GaP terintegrasi dengan merekayasa resonator pandu gelombang yang memproduksi sisir frekuensi optik. Sisir frekuensi adalah sumber cahaya dengan spektrum yang terdiri dari serangkaian garis sempit yang berjarak sama. Spektrum seperti itu sesuai dengan rangkaian reguler pulsa cahaya ultrapendek yang memiliki tingkat pengulangan tetap. Berdasarkan penelitian pada akhir 1970-an, penemu sisir frekuensi dianugerahi Hadiah Nobel dalam fisika pada tahun 2005.

Sisir frekuensi optik digunakan saat ini sebagai 'penggaris' optik (metode pengukuran frekuensi optik secara tepat untuk membuat, misalnya, jam optik ultrapresisi), dalam spektroskopi resolusi tinggi, dan sebagai penghubung antara gelombang mikro dan sinyal optik. Instrumen ilmiah yang diperlukan untuk menghasilkan sisir frekuensi bisa sangat besar dan mahal, memenuhi laboratorium optik. Perangkat fotonik terintegrasi menawarkan alternatif yang menarik, karena dapat dioperasikan dengan daya rendah, dibuat dengan biaya rendah, dan dikombinasikan dengan perangkat elektronik.

Memindai gambar mikroskop elektron dari resonator cincin pandu gelombang GaP-on-insulator pada chip silikon.

Tetapi bahan yang sebelumnya digunakan untuk menghasilkan sisir frekuensi seperti itu biasanya tidak beroperasi pada daya rendah atau tidak dapat diintegrasikan pada chip karena tidak kompatibel dengan teknik fabrikasi yang ditetapkan. Kami telah mengatasi tantangan ini dengan platform GaP kami. Kami menghasilkan frekuensi Kerr broadband (>100 nm) di C-band telekomunikasi dengan daya ambang serendah 3 mW. Karena nonlinier orde kedua yang kuat dari GaP, kami juga secara bersamaan membentuk sisir frekuensi pada frekuensi dua kali lipat, dekat dengan spektrum yang terlihat, dan untuk perangkat tertentu, kami mengamati penguat Raman yang efisien. Rugi propagasi di perangkat ini hanya 1,2 dB/cm – nilai yang sangat rendah untuk teknologi yang belum matang dan sebanding dengan pandu gelombang silikon-on-isolator yang canggih.

Apa yang istimewa dari GaP?

GaP memiliki kombinasi yang menarik dari indeks bias yang besar (n> 3 untuk panjang gelombang vakum hingga 4 μm) dan celah pita elektronik yang besar (2,26 eV). Yang pertama memungkinkan cahaya terbatas pada volume kecil; yang terakhir menyiratkan jendela transparansi yang luas. Ada beberapa bahan yang menunjukkan sifat-sifat yang saling bertentangan ini, karena biasanya ada tradeoff antara indeks bias dan celah pita. GaP menawarkan kemungkinan unik untuk membuat perangkat dengan kurungan cahaya yang kuat (volume mode kecil), transparansi ke dalam yang terlihat (λ_vakum> 550 nm) dan interaksi materi cahaya yang ditingkatkan. Yang penting, penyerapan dua foton pada panjang gelombang komunikasi data tipikal 1310 nm dan 1550 nm berkurang secara dramatis dibandingkan dengan fotonik silikon. Akibatnya, intensitas tinggi dapat digunakan, seperti yang sering terjadi pada perangkat nanofotonik. Selain itu, GaP memiliki kerentanan nonlinier orde kedua dan ketiga yang tinggi, memungkinkan pencampuran tiga dan empat gelombang yang efisien, proses optik nonlinier yang kami minati.

Banyak aplikasi di cakrawala

Selain pembangkitan sisir frekuensi, perangkat GaP kami secara efisien menggandakan dan melipattigakan frekuensi sinar laser, menyediakan sarana untuk melakukan konversi panjang gelombang dalam chip. Kami berharap proses nonlinier dapat diperluas untuk menciptakan superkontinuum, spektrum luas cahaya koheren spasial yang dapat digunakan untuk penginderaan, komunikasi optik, dan pengukuran ilmiah canggih seperti tomografi koherensi optik untuk analisis medis jaringan biologis. Yang penting, proses fabrikasi kami kompatibel dengan elektronik CMOS dan tidak bergantung pada tumpukan substrat yang mendasarinya. Oleh karena itu, perangkat GaP dapat diintegrasikan secara monolitik dengan teknologi fotonik lain yang lebih mapan, seperti silikon atau fotonik indium-fosfida, atau bahkan pada chip elektronik CMOS, untuk mewujudkan perangkat hibrida yang kompleks. Salah satu kemungkinannya adalah modulator elektro-optik terintegrasi penuh untuk interkoneksi optik berkecepatan tinggi seperti yang digunakan di pusat data dan superkomputer. Di luar aplikasi klasik seperti itu, nonlinier optik orde kedua dari GaP dapat dimanfaatkan untuk membuat perangkat yang menggabungkan bidang optik dan gelombang mikro pada tingkat masing-masing foton. Perangkat tersebut akan berfungsi sebagai transduser koheren kuantum untuk menghubungkan komputer kuantum superkonduktor dengan kabel serat optik. Secara keseluruhan, makalah kami menampilkan keunggulan unik dari fotonik GaP terintegrasi dan menandakan munculnya platform baru yang matang untuk fotonik nonlinier.