磷化镓：引领片上光子学，赋能下一代信息技术
集成器件的GaP-on-insulator芯片照片，光纤测量中绿光为泵浦环形谐振器时产生的三次谐波光。
发表于Nature Photonics的同行评审论文Integrated Gallium Phosphide Nonlinear Photonics中，我们团队展示了利用晶体磷化镓（GaP）实现片上光操控的突破。这一发展解锁电信、传感、天文学、量子计算等广泛应用，通过实现可与现有半导体技术无缝集成的高性能光子器件。
磷化镓长期是光子学基石，但缺乏可规模化制造方法将其限于基础发光器件。IBM Research Zurich开创可制造工艺，将高质量GaP沉积于标准电子晶圆。结合EPFL合作伙伴，现生产超紧凑光子电路，可与硅、磷化铟或CMOS电子学共存，开启混合计算硬件新纪元。
片上频率梳生成
我们通过工程化波导谐振器展示GaP平台威力，生成宽带光频率梳。这些梳——等间距光谱线阵列——作为超精密时钟、高分辨率光谱学、微波到光信号转换的光学"标尺"。传统梳生成需笨重昂贵设备；我们的集成方案仅3 mW阈值低功耗运行，兼容量产。
硅芯片上GaP-on-insulator波导环形谐振器扫描电镜图像。
GaP强二阶非线性允许同时生成近可见光频率加倍光，特定器件展现高效拉曼激光。波导展示极低1.2 dB/cm传播损耗，匹配最先进硅基绝缘体性能，同时提供更优非线性相互作用。
GaP脱颖而出的原因
GaP结合高折射率（n > 3，波长至4 µm）与宽禁带（2.26 eV）。这种罕见组合提供紧致光限制、延伸至可见光的宽透明窗口、1310 nm和1550 nm处降低双光子吸收，实现纳米光子器件更高光强度。其高二、三阶非线性极化率促进高效三、四波混频，这是频率梳、波长转换、超连续谱生成的关键过程。
广谱应用前景
除梳生成外，GaP器件实现片上频率二、三倍频，开辟紧凑波长转换器路径。平台还支持超连续谱生成——宽带相干光源，服务于先进传感、光通信、生物医学成像如光学相干断层扫描。因制造工艺完全CMOS兼容且不限衬底，GaP可单片集成硅或磷化铟光子学，甚至电子电路，实现复杂混合系统。潜在应用含数据中心高速电光调制器、连接超导量子比特与光纤的量子相干换能器等。
此工作由IBM Research Zurich与EPFL合作完成，获欧盟地平线2020计划资助，资助协议编号722923（Marie Skłodowska-Curie H2020-ETN OMT）和732894（FET Proactive HOT）。
纳米材料