갈륨 인화물: 차세대 정보 기술을 위한 온칩 포토닉스 개척

Nature Photonics에 게재된 동료 검토 논문 Integrated Gallium Phosphide Nonlinear Photonics에서 우리 팀은 결정질 갈륨 인화물(GaP)을 사용한 온칩 광 조작의 돌파구를 입증합니다. 이 개발은 기존 반도체 기술과 원활하게 통합될 수 있는 고성능 포토닉 장치를 가능하게 하여 통신, 센싱, 천문학, 양자 컴퓨팅 등 광범위한 응용 분야를 개척합니다.

갈륨 인화물은 오랫동안 포토닉스 초석이었으나 확장 가능한 제작 방법 부재로 기본 발광 소자로 사용이 제한되었습니다. IBM 리서치 취리히에서 우리는 표준 전자 웨이퍼 위에 고품질 GaP를 적층하는 제조 가능한 공정을 개척했습니다. EPFL 파트너들과 함께 이제 실리콘, 인듐 인화물, 또는 CMOS 전자공학과 공존할 수 있는 초소형 포토닉 회로를 생산합니다. 이는 하이브리드 컴퓨팅 하드웨어의 새로운 시대를 엽니다.

온칩 주파수 콤 생성

우리는 광대역 광 주파수 콤을 생성하는 웨이브가이드 공진기를 설계해 GaP 플랫폼의 힘을 입증합니다. 이 콤들(동일 간격 스펙트럼 라인 어레이)은 초정밀 시계, 고분해능 분광학, 마이크로파-광 신호 변환을 위한 광학 '자' 역할을 합니다. 전통적으로 콤 생성에는 거대하고 비싼 장비가 필요했지만, 우리 통합 솔루션은 3mW 임계값으로 저전력 동작하며 대량 생산과 호환됩니다.

실리콘 칩 위 GaP-on-insulator 웨이브가이드 링 공진기 주사전자현미경 이미지.

GaP의 강한 2차 비선형성은 가시광 근접 주파수 2배 광 동시 생성을 가능하게 하며, 특정 장치는 효율적인 라만 레이징을 보입니다. 웨이브가이드는 1.2dB/cm의 예외적으로 낮은 전파 손실을 보여 최첨단 실리콘-on-insulator 성능과 일치하면서 우월한 비선형 상호작용을 제공합니다.

GaP가 돋보이는 이유

GaP는 높은 굴절률(n > 3, 파장 4µm까지)과 넓은 밴드갭(2.26eV)을 결합합니다. 이 희귀한 조합은 강한 광학 구속, 가시광까지 확장된 투명도 창, 1310nm와 1550nm에서 감소된 2광자 흡수를 제공해 나노포토닉 장치에서 더 높은 광학 강도를 가능하게 합니다. 높은 2차 및 3차 비선형 감수율은 주파수 콤, 파장 변환, 슈퍼컨티넘 생성의 핵심 과정인 3파 및 4파 혼합을 효율적으로 촉진합니다.

지평선 위의 광범위한 응용

콤 생성을 넘어 우리 GaP 장치는 온칩 주파수 2배 및 3배 증폭을 수행해 콤팩트 파장 변환기 길을 엽니다. 플랫폼은 슈퍼컨티넘 생성도 지원합니다. 이는 첨단 센싱, 광통신, 광학 간섭 단층촬영 같은 생의학 이미징 기술에 유용한 광대역 코히어런트 광원입니다. 제작 공정이 완전히 CMOS 호환적이고 기판 비의존적이므로 GaP는 실리콘이나 인듐 인화물 포토닉스, 심지어 전자 회로와 단일체적으로 통합될 수 있어 복잡한 하이브리드 시스템을 가능하게 합니다. 잠재적 응용에는 데이터센터용 고속 전기-광 변조기, 초전도 큐빗을 광섬유에 연결하는 양자 코히어런트 트랜스듀서 등이 포함됩니다.

이 작업은 IBM 리서치 취리히와 EPFL 간 협력으로 수행되었으며, 유럽연합 Horizon 2020 프로그램 보조금 협정 No. 722923(마리 스클로도프스카-퀴리 H2020-ETN OMT)과 No. 732894(FET Proactive HOT) 지원.