לייזרים פולטיוניים חד‑ממדיים nano‑ridge שפולטים פני שטח, גדלים אפיטקסיאלית על וופל סיליקון סטנדרטי בקוטר 300 מ"מ

לייזרים זעירים חדשים לשבבי סיליקון

לייזרים הם הסוס העבודה הבלתי נראה במרכזי נתונים, בטלפונים חכמים ובחיישנים. עם זאת, הלייזרים הזעירים הנפוצים היום, המכונים VCSEL, קשים לייצור בגלים רבים ולא משתלבים בקלות עם השבבים הסיליקוניים שמפעילים את האלקטרוניקה שלנו. המחקר הזה מראה סוג חדש של לייזר מיקרוסקופי, הגדל ישירות על וופל סיליקון סטנדרטי בקוטר 300 מ"מ, שאפשר שיכול להוזיל מקורות אור על‑שבב, להפוך אותם ליותר גמישים ולפשט את ההרחבה ההמונית.

מדוע הלייזרי השבב הקיימים אינם מספקים

לייזרי VCSEL פופולריים כי הם קומפקטיים וניתנים לבחינה ישירות על הוופל. עם זאת, הם מסתמכים על ערימות עבות של שכבות מראה שגדלות בדיוק רב ופועלים היטב רק בכמה אורכי גל סטנדרטיים, כגון 850 ו‑980 ננומטר. הזזתם לאורכי גל ארוכים יותר הנדרשים לתקשורת או חישה היא קשה ויקרה. ייצור של מגוון אורכי גל על אותו וופל קשה אפילו יותר, ושילוב ישיר של VCSEL עם אלקטרוניקה על‑בסיס סיליקון נעשה לעתים נדירות. המגבלות האלה מניעות את החיפוש אחר עיצובים של לייזרים שקל יותר לגדל, לכוון באופן מדויק ומתאימים מטבעם לתהליכי הייצור של הסיליקון.

בניית לייזרים מאפיקים זעירים (nano‑ridges)

המחברים משתמשים בטכניקה שנקראת aspect ratio trapping ובמהנדסי nano‑ridge כדי לגדל חומר פולט אור באיכות גבוהה ישירות על סיליקון ממבנה. במקום ליצור שכבה רציפה, החומר האקטיבי יוצר מערך סדיר של רצועות צרות וגבוהות המוכרות כ‑nano‑ridges. התבנית הטבועה הזו מתנהגת כמו גביש פוטוני חד‑ממדי: הסדר החוזר של רכסים בעלי מקדמי שבירה גבוהים ורווחי אוויר מעצב באופן חזק את אופן התקדמות האור. על‑ידי בחירה מדויקת של גובה, רוחב ו‑spacing של הרכס, הצוות מעצב מצב "אור איטי" בקצה סרט הפוטוני — הנקודה שבה האור נעה כמעט בקושי לאורך המבנה. גל עומד איטי זה מספק משוב אופטי חזק, ומאפשר למערך עצמו לפעול כחדר תהודה של הלייזר תוך שידור אור ישירות מעלה מפני השבב.

כליאת אור לתפעול יעיל

הטריק הפיזיקאלי המרכזי הוא לנצל מה שנקרא מצבים כבולים בתוך הרצף (bound states in the continuum), מצבי אופטי מיוחדים שנמצאים בטווח תדרים שבו הקרינה מותרת אך נשארים כלואים בגלל סימטריה. במערך אינסופי אידיאלי, חלק מהמצבים האלה לא היו שופכים אישית. במכשיר ממשי וסופי, ליקויים קלים וגודל סופי שוברים את הסימטריה במידה שמאפשרת פליטה אנכית מבוקרת תוך שמירה על אובדני אופטי נמוכים. סימולציות מראות אילו מצבים מתחברים בצורה הטובה ביותר לאוורקי‑הקוואנטום של ה‑nano‑ridge ואיך צבעם משתנה כאשר רוחב, תקופה או גובה הרכס משתנים. הפרמטרים החשובים ביותר מתבררים כרוחב הרכס והרווח בינו לבין הרכס הבא, שניתן לכוון באמצעותם את הפליטה על פני רצועת הרווח של החומר, בקירוב מ‑980 עד 1060 ננומטר, מבלי לשנות את מרשם הסיליקון התת‑שכבתי.

מהעיצוב למכשירים עובדי עבודה

כדי להפוך את רעיון המערך האינסופי לפיקסלים קומפקטיים, הצוות מגדיר מקטעים סופיים של מערכי nano‑ridge ומקיף אותם בצדדים באיזורי "מראה". במקום לשנות את התקופה, הם משנים מעט את מקדם השבירה על‑ידי מילוי הרווחים הסמוכים בחומר שקוף, מה שמזיז את סרט הפוטוני המקומי ומחזיר אור חזרה לחלל המרכזי. ניסויים על מכשירים רבים בגדלים שונים מגלים כיצד סף הלייזר תלוי ברוחב: חללים רחבים נוטים בדרך כלל לספים נמוכים יותר כי הם כלואים את האור טוב יותר, אך מעבר לכ־35 מיקרומטר התועלת רוויה והפרעות מתחילות להשפיע. המכשירים הטובים ביותר מפגינים פליטת לייזר בטמפ׳ החדר בספים נמוכים של כ‑5–10 קילוואט למטר רבוע, קווים ספקטרליים צרים, פולאריזציה חזקה בכיוון הרכס, וקרניים נקיות וצרות עם פיזור זוויתי מתחת לכ־10 מעלות.

מה המשמעות לטכנולוגיות עתידיות

במילים פשוטות, המחברים הראו ששורות של רכסי מוליך למחצה זעירים, הגדלים ישירות על וופל סיליקון סטנדרטי, יכולות לשמש כלייזרים יעילים שפולטים מפני שטח וצבעם נקבע בעיקר על‑ידי הגיאומטריה. מאחר שהשיטה מנצלת תהליכי עיבוד סיליקון קונבנציונליים, היא מתאימה לייצור בקנה מידה גדול ולשילוב משותף עם מעגלים פוטוניים ואלקטרוניים. על‑ידי התאמת הרכב החומר, אותה פלטפורמה ניתנת להרחבה מקישורי נתונים תת‑אדום קרובים לאורכי גל ארוכים יותר המשמשים ב‑LIDAR, בחישה סביבתית ובספקטרוסקופיה. עם עבודה עתידית על הזרקה חשמלית ועיצוב אלקטרודות, לייזרי nano‑ridge שפולטים פני שטח אלה עשויים להפוך למקורות אור מעשיים על‑שבב למגוון רחב של יישומים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: פוטוניקה על סיליקון, לייזרים פולטיוניים שפולטים פני שטח, גבישים פוטוניים, לייזרי nano‑ridge, אופטואלקטרוניקה משולבת