Phosphure de gallium : pionnier de la photonique sur puce pour la prochaine génération de technologie de l'information

Photographie d'une puce GaP-sur-isolant avec dispositifs intégrés mesurés avec fibres optiques. La lueur verte est la lumière de troisième harmonique générée en pompant un des résonateurs en anneau avec un laser.

Dans l'article révisé par les pairs Integrated Gallium Phosphide Nonlinear Photonics publié dans Nature Photonics, notre équipe démontre une percée dans la manipulation de la lumière sur puce en utilisant du phosphure de gallium cristallin (GaP). Ce développement débloque un large spectre d'applications — télécommunications, détection, astronomie et calcul quantique — en permettant des dispositifs photoniques haute performance qui peuvent être intégrés de manière transparente avec la technologie semi-conductrice existante.

Le phosphure de gallium est depuis longtemps une pierre angulaire de la photonique, pourtant l'absence de méthodes de fabrication évolutives limitait son usage aux dispositifs émissifs de base. À IBM Research – Zurich, nous avons été pionniers d'un processus manufacturable qui dépose du GaP de haute qualité sur wafers électroniques standards. Couplé avec des partenaires à l'EPFL, nous produisons maintenant des circuits photoniques ultra-compacts qui peuvent coexister avec le silicium, l'indium-phosphide ou l'électronique CMOS, marquant une nouvelle ère pour le matériel informatique hybride.

Génération de peigne de fréquences sur puce

Nous illustrons la puissance de notre plateforme GaP en concevant des résonateurs à guides d'ondes qui génèrent des peignes de fréquences optiques à large bande. Ces peignes — réseaux de lignes spectrales équidistantes — servent de « règles » optiques pour horloges ultra-précises, spectroscopie haute résolution et conversion de signaux micro-ondes vers optiques. Traditionnellement, la génération de peignes nécessitait des équipements encombrants et coûteux ; notre solution intégrée fonctionne à faible puissance, avec un seuil de seulement 3 mW, et est compatible avec la production de masse.

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

La forte non-linéarité du second ordre du GaP permet la génération simultanée de lumière à fréquence doublée près du spectre visible, et certains dispositifs présentent un lasing Raman efficace. Les guides d'ondes affichent une perte de propagation exceptionnellement faible de 1,2 dB/cm, égalant les performances de pointe du silicium-sur-isolant tout en offrant une interaction non-linéaire supérieure.

Pourquoi le GaP se démarque

Le GaP combine un indice de réfraction élevé (n > 3 pour longueurs d'onde jusqu'à 4 µm) avec un gap de bande large (2,26 eV). Cette rare combinaison offre un confinement optique serré, une large fenêtre de transparence s'étendant dans le visible, et une absorption bidimensionnelle réduite à 1310 nm et 1550 nm, permettant des intensités optiques plus élevées dans les dispositifs nanophotoniques. Ses susceptibilités non-linéaires du second et troisième ordre élevées facilitent le mélange trois et quatre ondes efficace, les processus clés derrière les peignes de fréquences, la conversion de longueur d'onde et la génération de supercontinuum.

Applications à large spectre à l'horizon

Au-delà de la génération de peignes, nos dispositifs GaP effectuent le doublement et triplement de fréquence sur puce, ouvrant la voie à des convertisseurs de longueur d'onde compacts. La plateforme supporte aussi la génération de supercontinuum — une source lumineuse cohérente à large bande utile pour la détection avancée, la communication optique et les techniques d'imagerie biomédicale comme la tomographie par cohérence optique. Comme le processus de fabrication est entièrement compatible CMOS et agnostique au substrat, le GaP peut être intégré monolithiquement avec le silicium ou la photonique indium-phosphide, ou même avec des circuits électroniques, permettant des systèmes hybrides complexes. Les applications potentielles incluent des modulateurs électro-optiques haute vitesse pour centres de données, des transducteurs quantiques cohérents liant qubits supraconducteurs aux fibres optiques, et au-delà.

Ce travail a été réalisé en collaboration entre IBM Research – Zurich et l'EPFL, soutenu par le programme Horizon 2020 de l'Union européenne sous les accords de subvention No. 722923 (Marie Skłodowska‑Curie H2020‑ETN OMT) et No. 732894 (FET Proactive HOT).