גידול מוטמע של לייזרים נקודת-קוואנטום InP הנראים בגלוי במעגלים פוטוניים משולבים של ניטריד הסיליקון

הבאת אור אדום על שִׁבָּה

רבות מהטכנולוגיות של המחר — ממחשבי קוונטום ועד חיישנים רפואיים זעירים ותצוגות הדור הבא — תלויות במקורות אור קטנים ויעילים שיכולים לשבת ישירות על שבב מחשב. מאמר זה מראה כיצד החוקרים גידלו לייזרים זוהרי־אדום ישירות בתוך מעגל פוטוני מבוסס סיליקון, ומצביע על הדרך לעבר שבבים אופטיים קומפקטיים וזולים שעובדים באור נראה במקום רק בתת‑אדום שבו משתמשים כיום במרכזי נתונים.

מדוע אור נראה על שבבים חשוב

שבבים סטנדרטיים מסיליקון מצטיינים בעיבוד אותות חשמליים אך מחלישים את האור הנראה כי סיליקון סופג אותו. חומר קרוב, ניטריד הסיליקון, שקוף בטווח רחב של צבעים, כולל חלק גדול מהספקטרום הנראה, וניתן לייצרו באמצעות אותם כלים בקנה מידה גדול המשמשים לאלקטרוניקה קונבנציונלית. אם ניתן לבנות מקורות אור אמינים ישירות על מעגלים פוטוניים מניטריד הסיליקון, שבב יחיד עשוי לכוון, לפצל ולעבד קרני אור למידע קוונטי, לנתח דגימות ביולוגיות לפי טביעות אופטייות שלהן, או להקרין תמונות עבור תצוגות מציאות רבודה. עד כה, עם זאת, רוב הלייזרים על‑השבב שגודלו ישירות על סיליקון פעלו באורכי גל תת‑אדום, ולייזרים אדומים נראים היו במיוחד מאתגרים לשילוב.

גידול לייזרים אדומים זעירים בכיסים מיקרוסקופיים

הצוות פותר זאת על ידי חיתוך "כיסים" צרירים במעגל הפוטוני של ניטריד הסיליקון ואז גידול חומר הלייזר רק באותן אזורים שקועים. בתחתית נמצא חיתוך סיליקון, שמעליו שכבת גרמניום דקה שמסייעת לשחרור מתחים גבישיים ולהפחתת ליקויים. מעליה, שכבות זכוכית וניטריד סיליקון יוצרות מדריכים לגלים בעלי אבדן נמוך. החוקרים חורצים תעלות דרך השכבות הללו עד שחשופים לגרמניום, ואז מגדלים באופן סלקטיבי גאליום-ארסן איכותי בתוך הכיסים. לבסוף משתמשים באפיטקסיה בקרן מולקולרית — שיטת גידול מדויקת במצב קיטור — כדי להפקיד ערימות של שכבות סמי‑מוליכות שיוצרות את ליבת הלייזר.

ניצול נקודות קוואנטום לאור אדום יציב

במרכז כל מכשיר נמצא אזור פעיל העשוי מנקודות קוואנטום מפוספות אינדיום-פוספט (InP) המוטמעות בשכבות מסביב מהונדסות בקפידה. נקודות קוואנטום הן איים בקנה מידה ננומטרי שלכודות אלקטרונים וחורים בחוזקה כך שהם מתנהגים כאטומים מלאכותיים, דבר שמשפר יעילות והופך את המכשירים לעמידים יותר בפני ליקויים גבישיים. מדידות במיקרוסקופ מראות שכבות צפופות וטובות של נקודות קוואנטום בתוך המבנה שגדל, בעוד שבדיקות אופטייות לאחר צעידת אנילינג תרמית מהירה גילו פליטה אדומה חזקה בסביבות 745–752 ננומטר, שנמצאת בבירור בחלק העמוק־אדום של הספקטרום. אף על פי שקביעת הטמפרטורה במהלך הגידול מסתבכת בגלל הווקה המאוּבּנת, הצוות אף־על־פי־כן משיג צפיפות נקודות ואיכות אופטית התחרותית עם המבנים הטובים ביותר שדווחו על מצעדים פשוטים יותר.

ביצועי לייזרי האדום על השבב

לאחר שהוגדרו רכסים צרים והופרמו קצוות המכשירים כדי לשמש כמראות, החוקרים בודקים את לייזרי הפליטה הצידית המוכנים בנהיגה חשמלית רציפה בטמפרטורת החדר. הם מדווחים על צפיפות זרם סף נמוכה להפליא — כמה זרם חשמלי נדרש ליחידת שטח כדי להתחיל לפלוט — של 450 אמפרים לסנטימטר רבוע, ועל יותר מ‑10 מיליוואט פלט מפאה אחת, למרות שטרם הושג כיוונון אור לתוך מדריכי הגלים של ניטריד הסיליקון. ספים אלה נמוכים משמעותית בהשוואה ללייזרי נקודות‑קוואנטום אדומים דומים שגודלו בעבר על סיליקון, והיעילויות הכוללות משוות למכשירים מוקדמים יותר שנוצרו על תבניות אידיאליות יותר וללא תבנית. הלייזרים ממשיכים לפלוט עוצמות ברמת מיליוואט עד כ‑50 °C, עם התנהגות תרמית דומה ללייזרים אדומים מתקדמים אחרים מבוססי נקודות‑קוואנטום.

מה משמעות הדבר לשבבי פוטוניקה עתידיים

במילים פשוטות, המחקר מראה שאפשר לגדל לייזרים אדומים בהירים ויעילים ישירות בתוך מבנה מעגל פוטוני מניטריד הסיליקון ללא ויתור על ביצועים. אמנם עבודה זו לא מדגימה עדיין כיסוי אופטי מלא לתוך מדריכי הגלים, אך היא מאמתת את הצעד המרכזי: הטמעת חומר רווח איכותי באורך גל נראה בשבבים שעוברים עיבוד במפעלים. עם שיפורים עתידיים — כגון מראות מסותתות להפקה המונית ועיצוב תרמי משופר — גישה זו עשויה לאפשר מעגלים פוטוניים משולבים בצפיפות גבוהה לאור נראה, המניעים יישומים מחיישנים ביולוגיים ומעבדי קוונטום ועד מערכות תצוגה וחישה קומפקטיות שמתאימות על שבב יחיד.

ציטוט: 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

מילות מפתח: פוטוניקה בניטריד הסיליקון, לייזרים נראים על סיליקון, לייזרים בנקודות קוואנטום, מעגלים פוטוניים משולבים, מקורות אור אדום