ガリウムホスファイド：次世代情報技術へのオンチップフォトニクス開拓

査読論文Integrated Gallium Phosphide Nonlinear PhotonicsがNature Photonicsに掲載。我々のチームは結晶性ガリウムホスファイド（GaP）を用いたオンチップ光操作のブレイクスルーを実証。この発展により、既存半導体技術とシームレスに統合可能な高性能フォトニックデバイスが実現し、通信、センシング、天文学、量子コンピューティングへの広範な応用スペクトルが開かれます。

ガリウムホスファイドは長らくフォトニクスの要でしたが、スケーラブルな製造法の欠如で基本的発光デバイスに用途限定されていました。IBMリサーチ・チューリッヒでは、標準電子ウェーハ上に高品質GaPを積層する量産可能プロセスを先駆けました。EPFLパートナーと共に、シリコン、インジウムホスファイド、CMOSエレクトロニクスと共存可能な超コンパクトフォトニック回路を今や製造可能—ハイブリッドコンピューティングハードウェアの新時代を告げます。

オンチップ周波数コム生成

ガイド波共振器を設計し、ブロードバンド光周波数コム生成でGaPプラットフォームの威力を実証。これらコム—等間隔スペクトル線アレイ—は超精密クロック、高分解能分光、マイクロ波-光信号変換用の光学的「定規」として機能。従来コム生成には大型高価装置が必要でしたが、統合ソリューションはわずか3mW閾値で低消費電力動作し、量産互換性を備えます。

GaPの強力な二次非線形性により、可視スペクトル近傍での周波数倍増光同時生成、特定デバイスでは効率的ラマンレーザー発振を実現。波導は例外的に低い1.2dB/cm伝搬損失を示し、最先端シリコンオンインシュレータ性能に匹敵しながら優れた非線形相互作用を提供します。

GaPが際立つ理由

GaPは高屈折率（n>3、波長4μmまで）とワイドバンドギャップ（2.26eV）を稀有に組み合わせます。この組み合わせが強い光閉じ込め、可視域まで延びる広い透明窓、1310nmと1550nmでの二光子吸収低減を実現し、ナノフォトニックデバイスでの高光学強度を可能に。高次非線形感受性が効率的な三波・四波混合を促進—周波数コム、波長変換、スーパーコンティニューム生成の鍵プロセスです。

地平線上の広範スペクトラム応用

コム生成を超え、GaPデバイスはオンチップ周波数倍増と三倍増を実現、コンパクト波長変換への道を開きます。プラットフォームはスーパーコンティニューム生成もサポート—高度センシング、光通信、光干渉断層撮影などバイオメディカルイメージング技術に有用なブロードバンドコヒーレント光源。製造プロセスが完全CMOS互換かつ基板非依存であるため、GaPはシリコンやインジウムホスファイドフォトニクス、さらには電子回路と単結晶統合可能で、複雑なハイブリッドシステムを実現。潜在応用にはデータセンター向け高速電気光学変調器、超伝導キュビットを光ファイバーにリンクする量子コヒーレントトランスデューサー、それ以上が含まれます。

この研究はIBMリサーチ・チューリッヒとEPFLの協働で実施、欧州連合Horizon 2020プログラム助成金協定No. 722923 (Marie Skłodowska-Curie H2020-ETN OMT) とNo. 732894 (FET Proactive HOT) の支援を受けました。