利用磷化镓实现未来信息技术

照片一个 GaP-on-insulator 芯片，集成了用光纤测量的器件。绿光是用激光泵浦其中一个环形谐振器时产生的三次谐波光。

在最近发表在同行评审期刊《自然光子学》上的论文“集成磷化镓非线性光子学”中，我们报告了由晶体半导体磷化镓制成的高性能光子器件的开发。这项工作代表了用集成在芯片上的半导体材料操纵光的突破。它为众多可能对信息技术和计算的未来产生重大影响的应用打开了大门。

自 1960 年代以来，磷化镓 (GaP) 一直是光子学（光的科学和技术）中的重要材料，是一系列发光器件的基础。尽管起步较早，但由于缺乏在芯片上制造复杂 GaP 结构的方法，因此无法开发更复杂的器件，例如光子集成电路。最近，我们在 IBM Research – Zurich 的团队发明了一种可扩展和可制造的解决方案，用于在电子行业使用的同一晶片上集成高质量的 GaP。与来自洛桑联邦理工学院 (EPFL) 的同事一起，我们现在已经利用这种能力来创建出色的片上光子器件，预示着 GaP 可以与计算硬件中采用的其他构建块集成的新时代。我们预计将 GaP 添加到光子学工具包将对电信、传感、天文学和量子计算等各种应用产生重大影响。

使用 GaP 生成片上频率梳

在我们的论文中，我们通过设计产生光频梳的波导谐振器来展示集成 GaP 平台的功能。频率梳是一种光源，其光谱由一系列等距的窄线组成。这样的光谱对应于具有固定重复率的超短光脉冲的规则序列。基于1970年代后期的工作，频率梳的发明者于2005年获得诺贝尔物理学奖。

如今，光频梳在高分辨率光谱学中用作光学“标尺”（一种精确测量光学频率以创建例如超精密光学时钟的方法），并用作微波和光信号之间的链接。产生频率梳所需的科学仪器体积庞大且价格昂贵，足以填满整个光学实验室。集成光子器件提供了一种有吸引力的替代方案，因为它们可以以低功率运行、制造成本低并与电子设备结合。

硅芯片上绝缘体上 GaP 波导环形谐振器的扫描电子显微镜图像。

但是，以前用于产生这种频率梳的材料通常要么不能在低功率下运行，要么不能集成在芯片上，因为它们与既定的制造技术不兼容。我们已经通过我们的 GaP 平台克服了这些挑战。我们在电信 C 波段生成宽带 (>100 nm) 克尔频率梳，阈值功率低至 3 mW。由于 GaP 的强二阶非线性，我们还同时以两倍频率形成频率梳，接近可见光谱，并且对于某些设备，我们观察到有效的拉曼激光。这些器件的传播损耗仅为 1.2 dB/cm——对于这种不成熟的技术来说，这是一个非常低的值，可与最先进的绝缘体上硅波导相媲美。

GaP 有什么特别之处？

GaP 具有大折射率 (n> 3 对于高达 4 μm 的真空波长和大电子带隙 (2.26 eV)。前者允许光线被限制在一个小体积内；后者意味着一个宽阔的透明窗口。很少有材料表现出这些固有的冲突特性，因为通常需要在折射率和带隙之间进行权衡。 GaP 提供了一种独特的可能性，可以创建具有强光限制（小模式体积）、可见光透明（λvac> 550 nm）和增强的光-物质相互作用的器件。重要的是，与硅光子学相比，1310 nm 和 1550 nm 的典型数据通信波长的双光子吸收显着减少。因此，可以使用高强度，因为它经常出现在纳米光子器件中。此外，GaP 具有高二阶和三阶非线性磁化率，可实现高效的三波和四波混合，这是我们感兴趣的非线性光学过程。

即将推出众多应用

除了频率梳生成之外，我们的 GaP 器件还可以有效地将激光频率提高一倍和三倍，从而提供一种进行片上波长转换的方法。我们预计非线性过程可以扩展为创建超连续谱，这是一种广谱的空间相干光，可用于传感、光通信和复杂的科学测量，例如用于生物组织医学分析的光学相干断层扫描。重要的是，我们的制造工艺与 CMOS 电子设备兼容，并且独立于底层基板堆栈。因此，GaP 器件可以与其他更成熟的光子技术（例如硅或磷化铟光子学）单片集成，甚至可以集成在 CMOS 电子芯片上，以实现复杂的混合器件。一种可能性是完全集成的电光调制器，用于数据中心和超级计算机中使用的高速光互连。除了这些经典应用之外，可以利用 GaP 的二阶光学非线性来创建在单个光子水平上耦合光场和微波场的设备。这种设备将作为量子相干换能器，用于将超导量子计算机与光纤电缆连接起来。总的来说，我们的论文展示了集成GaP光子学的独特优势，标志着一个成熟的非线性光子学新平台的出现。

这项工作是由 IBM 苏黎世研究院和洛桑联邦理工学院 (EPFL) 合作完成的，并得到了欧盟 Horizo​​n 2020 研究与创新计划的支持，资助协议编号为 722923 (Marie Skłodowska-Curie H2020-ETN OMT) 和 No. 732894（FET Proactive HOT）。 图2