Fosida Galium: Pionir Fotonika On-Chip untuk Generasi Teknologi Informasi Berikutnya
Fotografi chip GaP-on-insulator dengan perangkat terintegrasi yang diukur dengan serat optik. Cahaya hijau adalah cahaya harmonis ketiga yang dihasilkan saat memompa salah satu resonator ring dengan laser.
Dalam makalah peer-reviewed Integrated Gallium Phosphide Nonlinear Photonics yang diterbitkan di Nature Photonics, tim kami mendemonstrasikan terobosan dalam manipulasi cahaya on-chip menggunakan galium fosida kristal (GaP). Perkembangan ini membuka spektrum luas aplikasi—telekomunikasi, sensing, astronomi, komputasi kuantum—dengan memungkinkan perangkat fotonik berkinerja tinggi yang dapat terintegrasi secara mulus dengan teknologi semikonduktor yang ada.
Galium fosida selama waktu lama menjadi sumbu sudut fotonika, namun kurangnya metode pembuatan yang dapat diskalakan membatasi penggunaannya pada perangkat pemancar cahaya dasar. Di IBM Research – Zurich, kami mempionirkan proses yang dapat diproduksi yang menumpuk GaP berkualitas tinggi pada wafers elektronik standar. Bersama dengan mitra di EPFL, kami kini menghasilkan sirkuit fotonik ultra-kompak yang dapat coexist dengan elektronik silikon, fosida indium, atau CMOS, menandai era baru untuk perangkat komputasi hibrid.
Pembangkitan Komb Frekuensi On-Chip
Kami mengilustrasikan kekuatan platform GaP kami dengan merancang resonator gelombang yang menghasilkan komb frekuensi optik broadband. Komb ini—array garis spektral yang jaraknya sama—berfungsi sebagai ‘penggaris’ optik untuk jam ultrapresisi, spektroskopi resolusi tinggi, dan konversi sinyal mikrogelombang-ke-optik. Secara tradisional, pembangkitan komb membutuhkan peralatan besar dan mahal; solusi terintegrasi kami beroperasi pada daya rendah, dengan ambang hanya 3 mW, dan kompatibel dengan produksi massal.
Gambar mikroskop elektron pemindaian resonator gelombang ring GaP-on-insulator pada chip silikon.
Nonlinieritas orde kedua yang kuat GaP memungkinkan generasi simultan cahaya dengan frekseri ganda dekat spektrum terlihat, dan beberapa perangkat menunjukkan lasing Raman yang efisien. Gelombang tampilan menunjukkan kerugian propagasi yang sangat rendah sebesar 1,2 dB/cm, mencocokkan kinerja silikon-on-insulator terdepan sambil menawarkan interaksi nonlinier yang unggul.
Mengapa GaP Menonjol
GaP menggabungkan indeks bias refractif tinggi (n > 3 untuk panjang gelombang hingga 4 µm) dengan bandgap yang lebar (2,26 eV). Kombinasi langka ini menyediakan konfinersi optik yang erat, jendela transparansi yang lebar yang mencapai spektrum terlihat, dan penyerapan dua foton yang diminimalkan pada 1310 nm dan 1550 nm, memungkinkan intensitas optik yang lebih tinggi dalam perangkat nanofotonik. Sensitivitas nonlinier orde kedua dan ketiga yang tinggi memfasilitasi pencampuran gelombang tiga dan empat yang efisien, proses kunci di balik komb frekuensi, konversi panjang gelombang, dan generasi superkontinuum.
Aplikasi Spektrum Luas di Horizon
Di luar pembangkitan komb, perangkat GaP kami melakukan penggandaan dan penglipatan frekuensi on-chip, membuka jalan bagi konverter panjang gelombang kompakt. Platform ini juga mendukung generasi superkontinuum—sumber cahaya koheren broadband yang berguna untuk sensing canggih, komunikasi optik, dan teknik citra biomedis seperti tomografi koherensi optik. Karena proses pembuatan sepenuhnya kompatibel CMOS dan agnostik substrat, GaP dapat diintegrasikan monolitik dengan fotonik silikon atau fosida indium, atau bahkan dengan sirkuit elektronik, memungkinkan sistem hibrid kompleks. Aplikasi potensial termasuk modulator elektro-optik kecepatan tinggi untuk pusat data, trasduser koheren kuantum yang menghubungkan qubit superkonduktor ke serat optik, dan lebih lanjut.
Pekerjaan ini dilakukan dalam kolaborasi antara IBM Research – Zurich dan EPFL, didukung oleh Program Horizon 2020 Uni Eropa di bawah perjanjian hibah No. 722923 (Marie Skłodowska-Curie H2020-ETN OMT) dan No. 732894 (FET Proactive HOT).
