ليزرات سطحية باعثة بشعاع من نانو-حواف بلورية ضوئية أحادية البعد مزروعة إبتيكسيًا على رقاقة سيليكون قياسية بقياس 300 مم

ليزرات صغيرة جديدة لرقائق السيليكون

الليزرات هي العجلات الخفية العاملة داخل مراكز البيانات والهواتف الذكية وأجهزة الاستشعار. ومع ذلك فإن أصغر الليزرات الشائعة اليوم، المعروفة باسم VCSEL، يصعب تصنيعها بعدة ألوان ولا تندمج بسهولة مع رقائق السيليكون التي تشغّل إلكترونياتنا. تُظهر هذه الدراسة نوعًا جديدًا من الليزر المجهري، مزروعًا مباشرة على رقاقة سيليكون قياسية بقطر 300 مم، قد يجعل مصادر الضوء على الرقاقة أرخص وأكثر تنوعًا وأسهل في التوسيع.

لماذا تقصر ليزرات الرقائق الحالية

تُعد الليزرات الباعثة من السطح ذات الحجرة العمودية (VCSEL) شائعة لأنها مدمجة ويمكن اختبارها مباشرة على الرقاقة. ومع ذلك فهي تعتمد على طبقات مرآة سميكة ومُزدانة بدقة وتعمل بشكل أمثل عند بضعة أطوال موجية قياسية فقط، مثل 850 و980 نانومتر. تغييرها إلى الأطوال الموجية الأطول المطلوبة للاتصالات أو الاستشعار صعب ومكلف. وإنتاج أطوال موجية متعددة على نفس الرقاقة أصعب حتى، ودمج VCSEL مباشرةً مع الإلكترونيات التقليدية القائمة على السيليكون نادرًا ما يُنجز. تدفع هذه القيود البحث عن تصميمات ليزر أبسط في النمو، أسهل في الضبط، ومتوافقة بطبيعتها مع تصنيع السيليكون.

بناء الليزرات من نانو-الحواف

يستخدم الباحثون تقنية تُسمى حجز نسبة الارتفاع إلى العرض (aspect ratio trapping) وهندسة النانو-حواف لزراعة مادة باعثة للضوء عالية الجودة مباشرةً على سيليكون معلم. بدلاً من تشكيل طبقة مستمرة، تتشكّل المادة الفعالة كمصفوفة منتظمة من شرائط ضيقة وطويلة جدًا تعرف بالنانو-حواف. يتصرف هذا النمط المدمج كبلورة ضوئية أحادية البعد: تسلسل متكرر من الحواف ذات معامل الانكسار العالي والفجوات الهوائية يشكّل بشكل قوي كيفية انتقال الضوء. من خلال اختيار ارتفاع الحافة وعرضها وتباعدها بعناية، يصمم الفريق وضعًا "بطيء-الضوء" عند حافة نطاق الفوتونيك — النقطة التي يزحزح فيها الضوء فعليًا عبر البنية. يوفر هذا الموجة الثابتة البطيئة ردود فعل بصرية قوية، مما يسمح للمصفوفة نفسها أن تعمل كمجال ليزر بينما تُصدر الضوء مباشرةً من سطح الشريحة.

حجز الضوء لتشغيل فعال

الحيلة الفيزيائية الأساسية هي استغلال ما يُسمى الحالات المرتبطة في الطيف المستمر (bound states in the continuum)، أوضاع ضوئية خاصة تقع ضمن نطاق ترددي يسمح بالإشعاع لكنها تظل محبوسة بسبب التماثل. في مصفوفة لا نهائية مثالية، بعض هذه الأوضاع لن تتسرب أبدًا. في جهاز حقيقي محدود، تكسر العيوب الطفيفة وحجم الجهاز المحدود التماثل بدرجة كافية للسماح بالإصدار العمودي المتحكم به مع الحفاظ على خسائر بصرية منخفضة. تُظهر المحاكاة أي الأوضاع تتزاوج بشكل أفضل مع آبار الكم في النانو-حواف وكيف يتغير لونها عندما يتغير عرض الحافة أو دورها أو ارتفاعها. يتبين أن أهم المعايير هي عرض الحافة وتباعدها، اللتان يمكن أن تضبطا الانبعاث عبر نطاق الكسب للمادة، تقريبًا من 980 إلى 1060 نانومتر، دون تغيير وصفة شبه الموصل الأساسية.

من التصميم إلى الأجهزة العاملة

لتحويل مفهوم المصفوفة اللامتناهية إلى بكسلات مدمجة، يحدد الفريق أقسامًا محدودة من مصفوفات النانو-حواف ويحيط بها جانبيًا بمناطق "مرآة". بدلاً من تغيير الفترة، يقومون بتعديل معامل الانكسار قليلًا بملء الفجوات المجاورة بمادة شفافة، مما يزيح النطاق الفوتوني المحلي ويعكس الضوء مرة أخرى إلى الحجرة المركزية. تكشف التجارب على العديد من الأجهزة ذات الأحجام المختلفة للحجرة كيف يعتمد عتبة الليزر على العرض: الحُجر الأعرض عادةً تمتلك عتبات أقل لأنها تحصر الضوء بشكل أفضل، لكن عند حوالي 35 ميكرومتر يتشبّع الفائدة وتبدأ الاضطرابات في أن تُحدث أثرًا. تُظهر أفضل الأجهزة إطلاق ليزر عند درجة حرارة الغرفة بعتبات منخفضة تصل إلى 5–10 كيلوواط لكل سنتيمتر مربع، خطوط طيفية ضيقة، استقطاب قوي على طول الحواف، وخرائط شعاعية نظيفة وضيقة بتشتت زاوي أقل من حوالي 10 درجات.

ماذا قد يعني هذا لتقنيات المستقبل

بعبارات بسيطة، أظهر المؤلفون أن صفوفًا من الحواف شبه الموصلة الصغيرة، مزروعة مباشرة على رقاقة سيليكون قياسية، يمكن أن تعمل كليزرات سطحية فعّالة يتحدد لونها بشكل أساسي بالهندسة. وبما أن النهج يعيد استخدام عمليات تصنيع السيليكون السائدة، فهو مناسب للتصنيع واسع النطاق وللتكامل المشترك مع الدوائر الفوتونية والإلكترونية. من خلال تعديل تركيب المادة، يمكن تمديد نفس المنصة من وصلات البيانات القريبة من الأشعة تحت الحمراء إلى الأطوال الموجية الأطول المستخدمة في ليدار والاستشعار البيئي والطيفية. مع أعمال مستقبلية على الحقن الكهربائي وتصميم الأقطاب، يمكن أن تصبح هذه الليزرات السطحية بنية النانو مصادر ضوئية عملية على الرقاقة لتطبيقات واسعة النطاق.

الاستشهاد: Fahmy, E.M.B., Ouyang, Z., Colucci, D. et al. One-dimensional photonic crystal nano-ridge surface emitting lasers epitaxially grown on a standard 300 mm silicon wafer. Light Sci Appl 15, 120 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02061-z

الكلمات المفتاحية: الفوتونيك على السيليكون, الليزرات الباعثة من السطح, البلورات الضوئية, ليزرات النانو-حافة, الإلكترونيات الضوئية المدمجة