標準的な300 mmシリコンウェーハ上にエピタキシャル成長した一次元フォトニック結晶ナノリッジ面発光レーザー

シリコンチップ向けの新しい小型レーザー

レーザーはデータセンター、スマートフォン、センサーの内部で目に見えない働きをしている。だが現在もっとも一般的な小型レーザーであるVCSELは、多様な波長で作るのが難しく、我々の電子機器を駆動するシリコンチップと容易に統合できない。本研究は、標準的な300 mmシリコンウェーハ上に直接成長させた新しいタイプの微小レーザーを示し、オンチップ光源をより安価に、より多用途に、より大規模に作れる可能性を示している。

現行のチップ用レーザーが不足する点

垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）は小型でウェーハ上で直接検査できるため広く使われている。しかしVCSELは厚い、厳密に成長されたミラー層の積層に依存し、850 nmや980 nmといったごく限られた標準波長で最も性能を発揮する。通信やセンサーで必要とされるより長い波長へ移すのは困難で高コストだ。同一ウェーハ上で多様な波長を作ることはさらに難しく、従来のシリコンベースの電子回路とVCSELを直接組み合わせることは稀である。こうした制約が、成長が簡便で調整しやすく、シリコン製造と自然に相性の良いレーザー設計の探索を後押ししている。

ナノリッジからレーザーを組み立てる

著者らはアスペクト比トラッピングとナノリッジ工学と呼ばれる手法を用いて、パターン化されたシリコン上に高品質な発光材料を直接成長させる。活性層は連続膜ではなく、非常に細く高い幅の狭いストリップが規則正しく配列したナノリッジのアレイとして形成される。この組み込みパターンは一次元フォトニック結晶のように振る舞い、高屈折率のリッジと空隙が繰り返されることで光の伝わり方を強く制御する。リッジの高さ、幅、間隔を慎重に選ぶことで、フォトニックバンドの端にある「スローライト」モードを設計している。ここでは光が構造に沿ってゆっくり進み、停滞する波となる。この遅い定在波が強い光学的フィードバックを与え、アレイ自体がレーザー共振器として機能しつつ、チップ表面から垂直に光を放射する。

効率的動作のために光を閉じ込める

鍵となる物理的トリックは、連続状態（コンティニュアム）内の束縛状態と呼ばれる特別な光学モードを利用することだ。これらは放射が許される周波数帯に存在しながら、対称性のために閉じ込められる。理想的な無限配列ではこうしたモードは決して漏れないが、実際の有限デバイスではわずかな不完全性や有限サイズが対称性を破り、制御された垂直放射を可能にしつつ光損失を低く保つ。シミュレーションにより、どのモードがナノリッジの量子井戸とよく結合するか、リッジ幅・周期・高さを変えた時にその色がどう変わるかを示している。最も重要なパラメータはリッジ幅と間隔であり、これらを変えることで基板となる半導体の処方を変えずに概ね980〜1060 nmの範囲で発光を調整できることが分かった。

設計から動作デバイスへ

無限配列の概念をコンパクトなピクセルに変えるため、チームはナノリッジアレイの有限区画を定義し、その周囲を側方から「鏡」領域で囲んだ。周期を変える代わりに、近傍の空隙を透明材料で満たして局所的な屈折率をわずかに変え、局所的なフォトニックバンドをシフトさせることで光を中央キャビティへ反射させている。様々なキャビティサイズの多数のデバイスでの実験は、レーザー閾値が幅にどう依存するかを明らかにした：幅が広いほど一般に光をより良く閉じ込め閾値は低くなるが、およそ35マイクロメートルを超えると利点は飽和し、無秩序が影響を与え始める。最良のデバイスは室温で5〜10 kW/cm^2程度の低い閾値、狭いスペクトル線幅、リッジに沿った強い偏光、および概ね10度以下の角度分布を持つきれいで狭いビームを示した。

将来技術への意味

要するに、著者らは標準的なシリコンウェーハ上に直接成長した細い半導体リッジの列が、主に幾何学によって色が決まる効率的な面発光レーザーとして機能し得ることを示した。主流のシリコンプロセスを再利用する手法であるため、大規模製造や光学・電子回路との共集積に適している。材料組成を調整すれば、同じプラットフォームを近赤外のデータ伝送からLIDAR、環境センシング、分光に使われるより長波長へ拡張できる可能性がある。将来的に電気注入や電極設計の研究が進めば、これらのナノリッジ面発光レーザーは幅広い用途で実用的なオンチップ光源になるだろう。

引用: 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

キーワード: シリコンフォトニクス, 面発光レーザー, フォトニック結晶, ナノリッジレーザー, 集積光電子工学