Exploiter le phosphure de gallium pour les futures technologies de l'information

Photographie de une puce GaP sur isolant avec des dispositifs intégrés mesurés avec des fibres optiques. La lueur verte est la lumière de troisième harmonique générée lors du pompage de l'un des résonateurs annulaires avec un laser.

Dans l'article « Integrated gallium phosphide nonlinear photonics », récemment publié dans la revue à comité de lecture Nature Photonics, nous rapportons le développement de dispositifs photoniques hautes performances fabriqués à partir du phosphure de gallium semi-conducteur cristallin. Ce travail représente une percée dans la manipulation de la lumière avec des matériaux semi-conducteurs intégrés sur une puce. Il ouvre la porte à une multitude d'applications qui pourraient avoir un impact significatif sur les technologies de l'information et l'avenir de l'informatique.

Le phosphure de gallium (GaP) est un matériau important en photonique - la science et la technologie de la lumière - depuis les années 1960, formant la base d'une gamme de dispositifs électroluminescents. Malgré ce début précoce, le manque de méthodes pour fabriquer des structures GaP complexes sur une puce a empêché le développement de dispositifs plus sophistiqués, tels que les circuits intégrés photoniques. Récemment, notre équipe d'IBM Research – Zurich a inventé une solution évolutive et manufacturable pour intégrer du GaP de haute qualité sur les mêmes plaquettes que celles utilisées dans l'industrie électronique. Avec des collègues de l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), nous avons maintenant exploité cette capacité pour créer des dispositifs photoniques sur puce exceptionnels, annonciateurs d'une nouvelle ère dans laquelle GaP peut être intégré à d'autres blocs de construction utilisés dans le matériel informatique. Nous nous attendons à ce que l'ajout de GaP à la boîte à outils photonique ait un impact majeur sur des applications aussi diverses que les télécommunications, la détection, l'astronomie et l'informatique quantique.

Génération d'un peigne de fréquence sur puce avec GaP

Dans notre article, nous démontrons les capacités de la plate-forme GaP intégrée en concevant des résonateurs de guide d'ondes produisant des peignes de fréquence optique. Un peigne de fréquence est une source lumineuse avec un spectre constitué d'une série de lignes étroites équidistantes. Un tel spectre correspond à un train régulier d'impulsions lumineuses ultracourtes ayant un taux de répétition fixe. Sur la base de travaux remontant à la fin des années 1970, les inventeurs des peignes de fréquence ont reçu le prix Nobel de physique en 2005.

Les peignes de fréquence optique sont aujourd'hui utilisés comme « règles » optiques (une méthode de mesure précise des fréquences optiques pour créer, par exemple, des horloges optiques ultraprécises), en spectroscopie haute résolution et comme lien entre les micro-ondes et les signaux optiques. Les instruments scientifiques nécessaires pour générer des peignes de fréquence peuvent être encombrants et coûteux, remplissant un laboratoire d'optique. Les dispositifs photoniques intégrés offrent une alternative intéressante, car ils peuvent fonctionner à faible puissance, fabriqués à faible coût et combinés avec des dispositifs électroniques.

Image au microscope électronique à balayage d'un résonateur en anneau de guide d'ondes GaP-sur-isolant sur une puce de silicium.

Mais les matériaux précédemment utilisés pour générer de tels peignes de fréquence ne fonctionnent généralement pas à faible puissance ou ne peuvent pas être intégrés sur des puces car ils ne sont pas compatibles avec les techniques de fabrication établies. Nous avons surmonté ces défis avec notre plateforme GaP. Nous générons des peignes de fréquences Kerr à large bande (>100 nm) dans la bande C des télécommunications avec une puissance de seuil aussi faible que 3 mW. En raison de la forte non-linéarité de second ordre de GaP, nous formons également simultanément des peignes de fréquence à fréquence double, proche du spectre visible, et pour certains dispositifs, nous observons un laser Raman efficace. La perte de propagation dans ces dispositifs n'est que de 1,2 dB/cm - une valeur remarquablement faible pour une technologie aussi immature et comparable aux guides d'ondes de pointe en silicium sur isolant.

Qu'est-ce que GaP a de si spécial ?

GaP possède une combinaison attrayante d'un grand indice de réfraction (n> 3 pour les longueurs d'onde du vide jusqu'à 4 μm) et une large bande interdite électronique (2,26 eV). Le premier permet de confiner la lumière à un petit volume; ce dernier implique une large fenêtre de transparence. Il existe peu de matériaux qui présentent ces propriétés intrinsèquement contradictoires, car il existe généralement un compromis entre l'indice de réfraction et la bande interdite. GaP offre une possibilité unique de créer des dispositifs à fort confinement de la lumière (petits volumes de mode), transparence dans le visible (λ_vac> 550 nm) et une interaction lumière-matière améliorée. Il est important de noter que l'absorption de deux photons aux longueurs d'onde de communication de données typiques de 1310 nm et 1550 nm est considérablement diminuée par rapport à la photonique au silicium. Par conséquent, des intensités élevées peuvent être utilisées, comme cela se produit souvent dans les dispositifs nanophotoniques. De plus, GaP présente une forte susceptibilité non linéaire de deuxième et troisième ordre, permettant un mélange efficace à trois et quatre ondes, les processus optiques non linéaires auxquels nous nous intéressons.

De nombreuses applications à l'horizon

Outre la génération de peignes de fréquence, nos dispositifs GaP doublent et triplent efficacement la fréquence de la lumière laser, offrant un moyen de convertir la longueur d'onde sur puce. Nous nous attendons à ce que les processus non linéaires puissent être étendus pour créer un supercontinuum, un large spectre de lumière spatialement cohérente pouvant être utilisé pour la détection, les communications optiques et des mesures scientifiques sophistiquées telles que la tomographie par cohérence optique pour l'analyse médicale des tissus biologiques. Surtout, notre processus de fabrication est compatible avec l'électronique CMOS et indépendant de l'empilement de substrats sous-jacent. Par conséquent, les dispositifs GaP peuvent être intégrés de manière monolithique avec d'autres technologies photoniques plus établies, telles que la photonique au silicium ou au phosphure d'indium, ou même sur une puce électronique CMOS, pour réaliser des dispositifs hybrides complexes. Une possibilité est un modulateur électro-optique entièrement intégré pour les interconnexions optiques à grande vitesse telles qu'utilisées dans les centres de données et les superordinateurs. Au-delà de ces applications classiques, la non-linéarité optique de second ordre du GaP pourrait être exploitée pour créer des dispositifs couplant les champs optiques et micro-ondes au niveau des photons individuels. De tels dispositifs serviraient de transducteurs à cohérence quantique pour connecter des ordinateurs quantiques supraconducteurs à des câbles à fibres optiques. Dans l'ensemble, notre article présente les avantages uniques de la photonique GaP intégrée et signale l'émergence d'une nouvelle plate-forme mature pour la photonique non linéaire.

Ce travail a été réalisé en collaboration entre IBM Research – Zurich et l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) et soutenu par le programme Horizon 2020 de l'Union européenne pour la recherche et l'innovation dans le cadre des conventions de subvention n°722923 (Marie Skłodowska-Curie H2020-ETN OMT) et n° 732894 (FET Proactive HOT). Figure 2