将来の情報技術のためのリン化ガリウムの利用

の写真光ファイバで測定されるデバイスが統合されたGaP-on-insulatorチップ。緑色の輝きは、リング共振器の1つをレーザーで励起しているときに生成される3次高調波光です。

最近、査読付きジャーナルNature Photonicsに掲載された論文「Integratedgallium phosphidenonlinear photonics」では、結晶性半導体ガリウムホスフィドで作られた高性能フォトニックデバイスの開発について報告しています。この作品は、チップ上に統合された半導体材料による光の操作におけるブレークスルーを表しています。これにより、情報技術とコンピューティングの将来に大きな影響を与える可能性のある多数のアプリケーションへの扉が開かれます。

リン化ガリウム（GaP）は、1960年代からフォトニクス（光の科学と技術）の重要な材料であり、さまざまな発光デバイスの基礎を形成してきました。この初期のスタートにもかかわらず、チップ上に複雑なGaP構造を製造する方法がないため、フォトニック集積回路などのより高度なデバイスの開発が妨げられてきました。最近、IBM Research – Zurichのチームは、電子産業で使用されているものと同じウェーハに高品質のGaPを統合するためのスケーラブルで製造可能なソリューションを発明しました。 ÉcolePolytechniqueFédéraledeLausanne（EPFL）の同僚と協力して、この機能を活用して卓越したオンチップフォトニックデバイスを作成し、GaPをコンピューティングハードウェアで採用されている他のビルディングブロックと統合できる新時代を告げています。フォトニクスツールキットへのGaPの追加は、電気通信、センシング、天文学、量子コンピューティングなどの多様なアプリケーションに大きな影響を与えると期待しています。

GaPを使用したオンチップ周波数コムの生成

私たちの論文では、光周波数コムを生成する導波路共振器を設計することにより、統合GaPプラットフォームの機能を示します。周波数コムは、等間隔に配置された一連の細い線で構成されるスペクトルを持つ光源です。このようなスペクトルは、固定された繰り返し率を持つ超短光パルスの通常の列に対応します。 1970年代後半にさかのぼる研究に基づいて、周波数コムの発明者は2005年にノーベル物理学賞を受賞しました。

光周波数コムは、今日、光「ルーラー」（光周波数を正確に測定して、たとえば超精密光クロックを作成する方法）、高分解能分光法、およびマイクロ波と光信号間のリンクとして使用されています。周波数コムを生成するために必要な科学機器は、かさばり、高価になる可能性があり、光学実験室を埋め尽くします。統合フォトニックデバイスは、低電力で動作し、低コストで製造され、電子デバイスと組み合わせることができるため、魅力的な代替手段を提供します。

シリコンチップ上のGaP-on-insulator導波管リング共振器の走査型電子顕微鏡画像。

しかし、以前にそのような周波数コムを生成するために使用された材料は、通常、低電力で動作しないか、確立された製造技術と互換性がないため、チップに統合できません。 GaPプラットフォームでこれらの課題を克服しました。ブロードバンド（> 100 nm）カー周波数コムを電気通信Cバンドで生成し、しきい値電力は3mWと低くなっています。 GaPの強い2次非線形性のために、可視スペクトルに近い2倍の周波数で周波数コムを同時に形成し、特定のデバイスでは、効率的なラマンレイジングを観察します。これらのデバイスの伝搬損失はわずか1.2dB / cmです。これは、このような未成熟な技術では非常に低い値であり、最先端のシリコンオンインシュレータ導波路に匹敵します。

GaPの何がそんなに特別なのですか？

GaPは、大きな屈折率（ n ）の魅力的な組み合わせを備えています。 最大4μmの真空波長および大きな電子バンドギャップ（2.26 eV）の場合は> 3。前者は、光を小さな体積に閉じ込めることを可能にします。後者は、広い透明度ウィンドウを意味します。通常、屈折率とバンドギャップの間にはトレードオフがあるため、これらの本質的に相反する特性を示す材料はほとんどありません。 GaPは、強い光の閉じ込め（小さなモードボリューム）、可視光への透明性（λ _vac ）を備えたデバイスを作成する独自の可能性を提供します> 550 nm）および強化された光と物質の相互作用。重要なのは、1310nmと1550nmの一般的なデータ通信波長での2光子吸収が、シリコンフォトニクスと比較して劇的に減少していることです。その結果、ナノフォトニックデバイスで頻繁に発生するため、高強度を使用できます。さらに、GaPは2次および3次の非線形感受率が高いため、効率的な3光波混合および4光波混合が可能になります。これは私たちが関心を持っている非線形光学プロセスです。

地平線上にある多数のアプリケーション

周波数コムの生成に加えて、当社のGaPデバイスは、レーザー光の周波数を効率的に2倍および3倍にし、オンチップ波長変換を行う手段を提供します。非線形プロセスを拡張して、スーパーコンティニウム、空間的にコヒーレントな光の広いスペクトルを作成し、センシング、光通信、および生体組織の医学的分析のための光コヒーレンストモグラフィーなどの高度な科学的測定に使用できると期待しています。重要なのは、私たちの製造プロセスはCMOSエレクトロニクスと互換性があり、基礎となる基板スタックから独立していることです。したがって、GaPデバイスは、シリコンやリン化インジウムフォトニクスなどの他のより確立されたフォトニック技術とモノリシックに統合でき、さらにはCMOSエレクトロニクスチップ上で統合して、複雑なハイブリッドデバイスを実現できます。 1つの可能性は、データセンターやスーパーコンピューターで使用される高速光相互接続用の完全に統合された電気光学変調器です。このような古典的なアプリケーションを超えて、GaPの2次光学非線形性を利用して、個々の光子のレベルで光フィールドとマイクロ波フィールドを結合するデバイスを作成できます。このようなデバイスは、超伝導量子コンピューターを光ファイバーケーブルで接続するための量子コヒーレントトランスデューサーとして機能します。全体として、私たちの論文は、統合されたGaPフォトニクスの独自の利点を示し、非線形フォトニクスのための成熟した新しいプラットフォームの出現を示しています。

この作業は、IBM Research –チューリッヒとÉcolePolytechniqueFédéraledeLausanne（EPFL）のコラボレーションで実施され、助成金契約No. 722923（MarieSkłodowska-Curie）の下で欧州連合のHorizo​​n2020研究革新プログラムによってサポートされました。 H2020-ETN OMT）およびNo. 732894（FETプロアクティブHOT）。 図2