미래 정보 기술을 위한 갈륨 인화물 활용

사진 광섬유로 측정되는 통합 장치가 있는 GaP-on-insulator 칩. 녹색 광선은 링 공진기 중 하나를 레이저로 펌핑하는 동안 생성되는 3차 고조파 빛입니다.

최근 학술지인 Nature Photonics에 게재된 "Integrated Gallium phosphonic nonlinear photonics"라는 논문에서 결정질 반도체 갈륨 인화물로 만든 고성능 광소자 개발에 대해 보고합니다. 이 작업은 칩에 집적된 반도체 재료로 빛을 조작하는 데 획기적인 발전을 나타냅니다. 정보 기술과 컴퓨팅의 미래에 중대한 영향을 미칠 수 있는 다양한 응용 프로그램의 가능성을 열어줍니다.

갈륨 인화물(GaP)은 1960년대부터 광자학(빛의 과학 및 기술)에서 중요한 재료였으며 다양한 발광 장치의 기초를 형성했습니다. 이러한 초기 시작에도 불구하고 칩에 복잡한 GaP 구조를 제조하는 방법이 없기 때문에 광자 집적 회로와 같은 보다 정교한 장치의 개발이 방해를 받고 있습니다. 최근 취리히의 IBM Research 팀은 전자 산업에서 사용되는 것과 동일한 웨이퍼에 고품질 GaP를 통합하기 위한 확장 가능하고 제조 가능한 솔루션을 발명했습니다. EPFL(École Polytechnique Fédérale de Lausanne)의 동료들과 함께 우리는 이제 이 기능을 활용하여 뛰어난 온칩 광자 장치를 생성하여 GaP가 컴퓨팅 하드웨어에 사용되는 다른 빌딩 블록과 통합될 수 있는 새로운 시대를 예고했습니다. 포토닉스 툴킷에 GaP를 추가하면 통신, 감지, 천문학 및 양자 컴퓨팅과 같은 다양한 애플리케이션에 큰 영향을 미칠 것으로 기대합니다.

GaP를 사용한 온칩 주파수 빗 생성

우리 논문에서 우리는 광 주파수 빗을 생성하는 도파관 공진기를 엔지니어링하여 통합 GaP 플랫폼의 기능을 보여줍니다. 주파수 빗은 일련의 균일한 간격의 좁은 선으로 구성된 스펙트럼을 가진 광원입니다. 이러한 스펙트럼은 고정된 반복률을 갖는 초단파 광 펄스의 규칙적인 열에 해당합니다. 1970년대 후반으로 거슬러 올라가는 연구를 바탕으로 주파수 빗의 발명가는 2005년 노벨 물리학상을 수상했습니다.

광학 주파수 빗은 오늘날 광학 '자'(예:초정밀 광학 시계를 생성하기 위해 광학 주파수를 정밀하게 측정하는 방법), 고해상도 분광학 및 마이크로파와 광학 신호 간의 연결로 사용됩니다. 주파수 빗을 생성하는 데 필요한 과학 장비는 부피가 크고 비싸서 광학 연구실을 가득 채울 수 있습니다. 통합 광자 장치는 저전력으로 작동하고 저렴한 비용으로 제작할 수 있으며 전자 장치와 결합할 수 있으므로 매력적인 대안을 제공합니다.

실리콘 칩에 있는 GaP-on-insulator 도파관 링 공진기의 주사 전자 현미경 이미지.

그러나 이러한 주파수 빗을 생성하는 데 이전에 사용된 재료는 일반적으로 저전력에서 작동하지 않거나 확립된 제조 기술과 호환되지 않기 때문에 칩에 통합될 수 없습니다. 우리는 GaP 플랫폼으로 이러한 문제를 극복했습니다. 우리는 3mW의 낮은 임계 전력으로 통신 C-대역에서 광대역(>100nm) Kerr 주파수 빗을 생성합니다. GaP의 강력한 2차 비선형성 때문에 가시 스펙트럼에 가까운 두 배의 주파수에서 주파수 빗을 동시에 형성하고 특정 장치의 경우 효율적인 라만 레이저를 관찰합니다. 이러한 장치의 전파 손실은 1.2dB/cm에 불과합니다. 이는 이러한 미성숙한 기술에 비해 현저히 낮은 값이며 최첨단 실리콘 온 인슐레이터 도파관에 필적합니다.

GaP의 특별한 점은 무엇입니까?

GaP는 큰 굴절률(n> 3(최대 4μm의 진공 파장) 및 큰 전자 밴드갭(2.26eV). 전자는 빛을 작은 볼륨으로 제한할 수 있습니다. 후자는 넓은 투명도 창을 의미합니다. 일반적으로 굴절률과 밴드갭 사이에 트레이드오프가 있기 때문에 이러한 본질적으로 상충되는 특성을 나타내는 재료는 거의 없습니다. GaP는 강한 빛 제한(소형 모드 볼륨), 가시광선에 대한 투명도(λ_vac> 550 nm) 및 향상된 광물질 상호작용. 중요한 것은 1310nm 및 1550nm의 일반적인 데이터 통신 파장에서 2광자 흡수가 실리콘 포토닉스에 비해 극적으로 감소한다는 것입니다. 결과적으로, 나노 광자 소자에서 자주 발생하므로 높은 강도를 사용할 수 있습니다. 또한, GaP는 높은 2차 및 3차 비선형 민감성을 특징으로 하여 우리가 관심을 갖고 있는 비선형 광학 프로세스인 효율적인 3파 및 4파 혼합을 가능하게 합니다.

수많은 애플리케이션 출시 예정

주파수 빗 생성 외에도 당사의 GaP 장치는 레이저 광의 주파수를 효율적으로 2배 및 3배로 하여 온칩 파장 변환을 수행하는 수단을 제공합니다. 우리는 비선형 프로세스가 확장되어 감지, 광학 통신 및 생물학적 조직의 의학적 분석을 위한 광학 간섭 단층 촬영과 같은 정교한 과학적 측정에 사용할 수 있는 공간적으로 간섭하는 광의 넓은 스펙트럼인 초연속체를 생성할 수 있을 것으로 기대합니다. 중요하게도, 우리의 제조 프로세스는 CMOS 전자 장치와 호환되며 기본 기판 스택과 무관합니다. 따라서 GaP 장치는 복잡한 하이브리드 장치를 실현하기 위해 실리콘 또는 인듐 인화물 포토닉스 또는 CMOS 전자 칩과 같은 다른 보다 확립된 포토닉 기술과 모놀리식으로 통합될 수 있습니다. 한 가지 가능성은 데이터 센터와 슈퍼컴퓨터에서 사용되는 고속 광 상호 연결을 위한 완전히 통합된 전기 광학 변조기입니다. 이러한 고전적인 응용 분야를 넘어, GaP의 2차 광학 비선형성을 활용하여 개별 광자 수준에서 광학 및 마이크로파 필드를 결합하는 장치를 만들 수 있습니다. 이러한 장치는 초전도 양자 컴퓨터를 광섬유 케이블과 연결하기 위한 양자 간섭 변환기 역할을 합니다. 전체적으로 우리의 논문은 통합된 GaP 포토닉스의 고유한 장점을 보여주고 비선형 포토닉스를 위한 성숙한 새 플랫폼의 출현을 알립니다.

이 작업은 IBM Research – Zurich와 EPFL(École Polytechnique Fédérale de Lausanne) 간의 협력으로 수행되었으며 보조금 계약 번호 722923(Marie Skłodowska-Curie H2020-ETN OMT) 및 No. 732894(FET Proactive HOT). 그림 2