النمو المدمج لليزرات ذات النقاط الكمومية المرئية من InP في دوائر متكاملة ضوئية من نيتريد السيليكون

جلب الضوء الأحمر إلى الشريحة

تعتمد العديد من تقنيات الغد — من الحواسيب الكمومية إلى المجسات الطبية فائقة الصغر وشاشات الجيل التالي — على مصادر ضوء صغيرة وفعّالة يمكن أن تُدمج مباشرة على رقاقة الحاسوب. تُظهر هذه الورقة كيف نجح الباحثون في نمو ليزرات مشعة باللون الأحمر الساطع مباشرة داخل دائرة فوتونية قائمة على السيليكون، ما يشير إلى طريق نحو شرائح بصرية مدمجة ومنخفضة التكلفة تعمل عند أطوال موجية مرئية بدلاً من الأشعة تحت الحمراء المستخدمة حالياً في مراكز البيانات.

لماذا يهم وجود الضوء المرئي على الرقائق

تتفوق رقائق السيليكون التقليدية في التعامل مع الإشارات الكهربائية لكنها تعجز عن توجيه الضوء المرئي بشكل جيد لأن السيليكون يمتصه. مادة قريبة الصلة، نيتريد السيليكون، تكون شفافة عبر نطاق واسع من الألوان، بما في ذلك جزء كبير من الطيف المرئي، ويمكن تصنيعها باستخدام أدوات التصنيع واسعة النطاق نفسها المستخدمة في الإلكترونيات التقليدية. إذا أمكن بناء مصادر ضوئية موثوقة مباشرة على دوائر فوتونية من نيتريد السيليكون، فقد تتمكن رقاقة واحدة من توجيه وتقسيم ومعالجة حزم الضوء للمعلومات الكمومية، أو تحليل عينات بيولوجية عبر بصماتها البصرية، أو إسقاط صور لشاشات الواقع المعزز. وحتى الآن، عانى معظم الليزرات المزروعة مباشرة على السيليكون من العمل عند أطوال موجية تحت الحمراء، وكانت ليزرات الأحمر المرئي تحدياً خاصاً للدمج.

نمو ليزرات حمراء صغيرة في جيوب مجهرية

يواجه الفريق هذا التحدي بقطع «جيوب» ضيقة في دائرة فوتونية من نيتريد السيليكون ثم نمو مادة الليزر داخل تلك المناطق المنخفضة المستوى فقط. في القاعدة توجد رقاقة سيليكون، تعلوها طبقة رقيقة من الجرمانيوم تساعد على تخفيف إجهاد البلورة وتقليل العيوب. فوق ذلك تشكّل طبقات من الزجاج ونيتريد السيليكون خطوط موجية منخفضة الخسارة. ينحت الباحثون أخاديد خلال هذه الطبقات حتى يكشفوا الجرمانيوم، ثم ينمون بشكل انتقائي أرصدة عالية الجودة من غاليوم أرسنيد داخل الجيوب. وأخيراً يستخدمون إبطار الشعاع الجزيئي — طريقة نمو دقيقة في الطور البخاري — لترسيب تراكبات من طبقات أشباه الموصلات التي تشكل جوهر الليزر.

توظيف النقاط الكمومية للحصول على ضوء أحمر مستقر

في قلب كل جهاز توجد منطقة نشطة مصنوعة من نقاط كمومية من فوسفيد الإنديوم مدمجة في طبقات محيطة مصممة بعناية. النقاط الكمومية هي جزر بحجم نانومتر تحجز الإلكترونات والثقوب بقوة بحيث تتصرف كذرات اصطناعية، مما يحسّن الكفاءة ويجعل الأجهزة أكثر تحملاً لعيوب البلورة. تُظهر قياسات المجهر طبقات كثيفة ومشَكَّلة جيداً من النقاط الكمومية داخل البنية المزروعة، بينما تكشف الاختبارات البصرية بعد خطوة تصليح حراري سريع عن انبعاث أحمر قوي حول 745–752 نانومتر، أي في الجزء العميق الأحمر من الطيف. رغم أن التحكم في درجة الحرارة أثناء النمو معقَّد بسبب تصميم الرقاقة المنقوش، يحقق الفريق كثافة نقاط وجودة بصرية تنافس أفضل الهياكل المبلغة على رُقُع أبسط.

أداء الليزرات الحمراء على الرقاقة

بعد تحديد نتوءات ضيقة وقطع نهايات الأجهزة لتعمل كمرآتين، يختبر الباحثون الليزرات المنبعثة من الحافة تحت تشغيل كهربائي مستمر عند درجة حرارة الغرفة. يبلغون عن كثافة تيار عتبية منخفضة بشكل ملحوظ — وهي كمية التيار الكهربائي اللازمة لكل وحدة مساحة لبدء التوليد الضوئي — مقدارها 450 أمبيراً لكل سنتيمتر مربع، وأكثر من 10 ميليوات خرج من واحد من الوجوه، على الرغم من عدم توصيل الضوء بعد إلى خطوط نيتريد السيليكون الموجية. هذه العتبات أقل بكثير من ليزرات النقاط الكمومية الحمراء المماثلة المزروعة سابقاً على السيليكون، وتطابق الكفاءات الكلية أجهزة سابقة صُنعت على قوالب أفضل وأكثر سلاسة. تستمر الليزرات في إصدار طاقة بمستوى ميليوات حتى حوالي 50 °م، مع سلوك حراري مشابه لليزرات الحمراء المتقدمة الأخرى القائمة على النقاط الكمومية.

ماذا يعني هذا لشرائح الفوتونيات المستقبلية

بعبارة بسيطة، تُظهر الدراسة أنه يمكن زراعة ليزرات حمراء ساطعة وفعّالة مباشرة داخل نسيج دائرة فوتونية من نيتريد السيليكون دون التضحية بالأداء. وبينما يتوقف هذا العمل قبل إظهار الاقتران البصري الكامل إلى الخطوط الموجية، فإنه يثبت الخطوة الأساسية: تضمين مادة تضخّ بجودة عالية عند أطوال موجية مرئية في رقائق معالجة بمصانع الخَطّ. مع تحسينات مستقبلية — مثل مرايا منحوتة للإنتاج الضخم وتصميم حراري محسن — قد تمكّن هذه المقاربة دوائر فوتونية متكاملة مرئية الكثافة، تغذي تطبيقات من مجسات الأحياء والمعالجات الكمومية إلى أنظمة العرض والحسّ المدمجة التي تتسع على رقاقة واحدة.

الاستشهاد: Yiteng Wang, Christopher Heidelberger, Jason Plant, Dave Kharas, Pankul Dhingra, Robert B. Kaufman, Xizheng Fang, Brian D. Li, Ryan D. Hool, John Dallesasse, Paul W. Juodawlkis, Cheryl Sorace-Agaskar, and Minjoo Larry Lee, "Embedded growth of visible InP quantum dot lasers in silicon nitride photonic integrated circuits," Optica 12, 1697-1701 (2025). https://doi.org/10.1364/OPTICA.569454

الكلمات المفتاحية: الفوتونيات من نيتريد السيليكون, ليزرات مرئية على السيليكون, ليزرات النقاط الكمومية, دوائر فوتونية متكاملة, مصادر ضوء حمراء