Aprovechamiento del fosfuro de galio para la tecnología de la información del futuro

Fotografía de un chip GaP-sobre-aislante con dispositivos integrados que se miden con fibras ópticas. El resplandor verde es la luz del tercer armónico que se genera al bombear uno de los resonadores de anillo con un láser.

En el artículo “Fotónica no lineal de fosfuro de galio integrado”, publicado recientemente en la revista revisada por pares Nature Photonics, informamos sobre el desarrollo de dispositivos fotónicos de alto rendimiento hechos del semiconductor cristalino fosfuro de galio. Este trabajo representa un gran avance en la manipulación de la luz con materiales semiconductores integrados en un chip. Abre la puerta a una multitud de aplicaciones que podrían tener un impacto significativo en la tecnología de la información y el futuro de la informática.

El fosfuro de galio (GaP) ha sido un material importante en la fotónica, la ciencia y la tecnología de la luz, desde la década de 1960, formando la base de una gama de dispositivos emisores de luz. A pesar de este comienzo temprano, la falta de métodos para fabricar estructuras GaP complejas en un chip ha impedido el desarrollo de dispositivos más sofisticados, como los circuitos integrados fotónicos. Recientemente, nuestro equipo de IBM Research - Zurich inventó una solución escalable y fabricable para integrar GaP de alta calidad en las mismas obleas que se utilizan en la industria electrónica. Junto con colegas de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), ahora hemos explotado esta capacidad para crear dispositivos fotónicos en chip excepcionales, anunciando una nueva era en la que GaP puede integrarse con otros componentes básicos empleados en hardware informático. Esperamos que la incorporación de GaP al conjunto de herramientas de fotónica tenga un impacto importante en aplicaciones tan diversas como telecomunicaciones, detección, astronomía y computación cuántica.

Generación de peines de frecuencia en chip con GaP

En nuestro artículo, demostramos las capacidades de la plataforma GaP integrada mediante la ingeniería de resonadores de guía de ondas que producen peines de frecuencia óptica. Un peine de frecuencia es una fuente de luz con un espectro que consta de una serie de líneas estrechas igualmente espaciadas. Tal espectro corresponde a un tren regular de pulsos de luz ultracortos que tienen una tasa de repetición fija. Basado en un trabajo que se remonta a finales de la década de 1970, los inventores de los peines de frecuencia recibieron el Premio Nobel de física en 2005.

Los peines de frecuencia óptica se utilizan hoy en día como "reglas" ópticas (un método para medir con precisión las frecuencias ópticas para crear, por ejemplo, relojes ópticos ultraprecisos), en espectroscopía de alta resolución y como enlace entre las señales ópticas y de microondas. Los instrumentos científicos necesarios para generar peines de frecuencia pueden ser voluminosos y costosos, llenando un laboratorio de óptica. Los dispositivos fotónicos integrados ofrecen una alternativa atractiva, ya que pueden operarse a baja potencia, fabricarse a bajo costo y combinarse con dispositivos electrónicos.

Imagen de microscopio electrónico de barrido de un resonador de anillo de guía de ondas GaP-en-aislante en un chip de silicio.

Pero los materiales utilizados anteriormente para generar tales peines de frecuencia generalmente no funcionan a baja potencia o no pueden integrarse en chips porque no son compatibles con las técnicas de fabricación establecidas. Hemos superado estos desafíos con nuestra plataforma GaP. Generamos peines de frecuencia Kerr de banda ancha (> 100 nm) en la banda C de telecomunicaciones con un umbral de potencia tan bajo como 3 mW. Debido a la fuerte no linealidad de segundo orden de GaP, también formamos simultáneamente peines de frecuencia al doble de la frecuencia, cerca del espectro visible, y para ciertos dispositivos, observamos un láser Raman eficiente. La pérdida de propagación en estos dispositivos es de solo 1,2 dB / cm, un valor notablemente bajo para una tecnología tan inmadura y comparable a las guías de onda de silicio sobre aislante de última generación.

¿Qué tiene de especial GaP?

GaP posee una atractiva combinación de un gran índice de refracción ( n > 3 para longitudes de onda de vacío de hasta 4 μm) y una banda prohibida electrónica grande (2,26 eV). El primero permite limitar la luz a un volumen reducido; esto último implica una amplia ventana de transparencia. Hay pocos materiales que exhiban estas propiedades intrínsecamente conflictivas, ya que típicamente existe una compensación entre el índice de refracción y la banda prohibida. GaP ofrece una posibilidad única de crear dispositivos con un fuerte confinamiento de luz (volúmenes de modo pequeño), transparencia en lo visible (λ _vac > 550 nm) y una interacción luz-materia mejorada. Es importante destacar que la absorción de dos fotones en las longitudes de onda de comunicación de datos típicas de 1310 nm y 1550 nm se reduce drásticamente en comparación con la fotónica de silicio. En consecuencia, se pueden usar altas intensidades, como ocurre a menudo en dispositivos nanofotónicos. Además, GaP presenta una alta susceptibilidad no lineal de segundo y tercer orden, lo que permite una mezcla eficiente de tres y cuatro ondas, los procesos ópticos no lineales en los que estamos interesados.

Numerosas aplicaciones en el horizonte

Además de la generación de peine de frecuencia, nuestros dispositivos GaP duplican y triplican eficientemente la frecuencia de la luz láser, proporcionando un medio para realizar la conversión de longitud de onda en el chip. Esperamos que los procesos no lineales se puedan extender para crear un supercontinuo, un amplio espectro de luz espacialmente coherente que se puede utilizar para sensores, comunicaciones ópticas y mediciones científicas sofisticadas como la tomografía de coherencia óptica para el análisis médico de tejidos biológicos. Es importante destacar que nuestro proceso de fabricación es compatible con la electrónica CMOS e independiente de la pila de sustrato subyacente. Por lo tanto, los dispositivos GaP pueden integrarse monolíticamente con otras tecnologías fotónicas más establecidas, como la fotónica de silicio o fosfuro de indio, o incluso en un chip electrónico CMOS, para realizar dispositivos híbridos complejos. Una posibilidad es un modulador electroóptico totalmente integrado para interconexiones ópticas de alta velocidad como se usa en centros de datos y supercomputadoras. Más allá de estas aplicaciones clásicas, la no linealidad óptica de segundo orden de GaP podría aprovecharse para crear dispositivos que acoplan campos ópticos y de microondas a nivel de fotones individuales. Dichos dispositivos servirían como transductores coherentes cuánticos para conectar computadoras cuánticas superconductoras con cables de fibra óptica. En general, nuestro artículo muestra las ventajas únicas de la fotónica GaP integrada y señala el surgimiento de una nueva plataforma madura para la fotónica no lineal.