Fosfuro de galio: Pionero en fotónica on-chip para la próxima generación de tecnología de la información

En el artículo revisado por pares Integrated Gallium Phosphide Nonlinear Photonics publicado en Nature Photonics, nuestro equipo demuestra un avance en manipulación de luz on-chip usando fosfuro de galio cristalino (GaP). Este desarrollo desbloquea un amplio espectro de aplicaciones —telecomunicaciones, sensado, astronomía y computación cuántica— permitiendo dispositivos fotónicos de alto rendimiento que pueden integrarse sin problemas con tecnología semiconductora existente.

El fosfuro de galio ha sido pilar de la fotónica por largo tiempo, pero la falta de métodos de fabricación escalables limitó su uso a dispositivos básicos de emisión de luz. En IBM Research – Zurich, pionereamos un proceso manufacturable que deposita GaP de alta calidad sobre wafers electrónicos estándar. Acoplado con socios en EPFL, ahora producimos circuitos fotónicos ultra-compactos que pueden coexistir con silicio, fosfuro de indio, o electrónica CMOS, marcando nueva era para hardware computacional híbrido.

Generación de peine de frecuencias On-Chip

Ilustramos el poder de nuestra plataforma GaP diseñando resonadores de guía de onda que generan peines de frecuencias ópticas de banda ancha. Estos peines —arrays de líneas espectrales igualmente espaciadas— sirven como 'reglas' ópticas para relojes ultra-precisos, espectroscopía de alta resolución, y conversión de señal microondas-a-óptica. Tradicionalmente, generación de peines requería equipos voluminosos y costosos; nuestra solución integrada opera a baja potencia, con umbral de solo 3 mW, y es compatible con producción en masa.

La fuerte no linealidad de segundo orden de GaP permite generación simultánea de luz duplicada en frecuencia cerca del espectro visible, y ciertos dispositivos exhiben láser Raman eficiente. Las guías de onda muestran pérdida de propagación excepcionalmente baja de 1,2 dB/cm, igualando rendimiento state-of-the-art de silicio-on-insulator mientras ofrecen interacción no lineal superior.

Por qué GaP destaca

GaP combina alto índice de refracción (n > 3 para longitudes de onda hasta 4 µm) con banda prohibida ancha (2,26 eV). Esta rara combinación entrega confinamiento óptico estrecho, ventana de transparencia amplia extendiéndose al visible, y absorción de dos fotones reducida a 1310 nm y 1550 nm, permitiendo intensidades ópticas más altas en dispositivos nanofotónicos. Sus altas susceptibilidades no lineales de segundo y tercer orden facilitan mezcla eficiente de tres y cuatro ondas, procesos clave detrás de peines de frecuencias, conversión de longitud de onda y generación de supercontinuo.

Aplicaciones de amplio espectro en el horizonte

Más allá de generación de peines, nuestros dispositivos GaP realizan duplicación y triplicación de frecuencia on-chip, abriendo avenidas para convertidores de longitud de onda compactos. La plataforma también soporta generación de supercontinuo —fuente de luz coherente de banda ancha útil para sensado avanzado, comunicación óptica e técnicas de imagen biomédica como tomografía de coherencia óptica. Como el proceso de fabricación es totalmente compatible con CMOS e independiente de sustrato, GaP puede integrarse monolíficamente con fotónica de silicio o fosfuro de indio, o incluso con circuitos electrónicos, permitiendo sistemas híbridos complejos. Aplicaciones potenciales incluyen moduladores electro-ópticos de alta velocidad para centros de datos, transductores cuántico-coherentes enlazando qubits superconductor a fibras ópticas, y más allá.

Este trabajo se realizó en colaboración entre IBM Research – Zurich y EPFL, apoyado por el Programa Horizonte 2020 de la Unión Europea bajo acuerdos de subvención No. 722923 (Marie Skłodowska‑Curie H2020‑ETN OMT) y No. 732894 (FET Proactive HOT).