Epitaxiaal gegroeide eendimensionale fotonische-kerstalgroef nano-rand oppervlaktemitterende lasers op een standaard 300 mm siliciumwafel

Nieuwe miniatuurlijke lasers voor siliciumchips

Lasers zijn de onzichtbare werkpaarden in datacenters, smartphones en sensoren. De meest voorkomende kleine lasers van vandaag, VCSELs genaamd, zijn echter lastig in veel kleuren te maken en laten zich niet eenvoudig integreren met de siliciumchips die onze elektronica aansturen. Dit onderzoek toont een nieuw soort microscopische laser, rechtstreeks gegroeid op een standaard 300 mm siliciumwafel, dat ingebouwde lichtbronnen op chips goedkoper, veelzijdiger en beter schaalbaar kan maken.

Waarom huidige chiplasers tekortschieten

Vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) zijn populair omdat ze compact zijn en direct op de wafer getest kunnen worden. Ze vertrouwen echter op dikke stapels precies gegroeide spiegellagen en presteren het beste slechts bij een paar standaard golflengten, zoals 850 en 980 nanometer. Ze naar langere golflengten brengen die nodig zijn voor telecommunicatie of sensing is moeilijk en kostbaar. Het maken van veel verschillende golflengten op dezelfde wafer is nog lastiger, en directe combinatie van VCSELs met conventionele siliciumgebaseerde elektronica komt zelden voor. Deze beperkingen motiveren de zoektocht naar lasers die eenvoudiger te groeien, gemakkelijker af te stemmen en van nature compatibel met siliciumfabricage zijn.

Lasers bouwen uit nano-randen

De auteurs gebruiken een techniek genaamd aspect-ratio trapping en nano-ridge-engineering om hoogwaardige lichtuitzendende materialen direct op gepatterned silicium te laten groeien. In plaats van een continue laag vormt het actieve materiaal een regelmatige reeks extreem smalle, hoge stroken, bekend als nano-randen. Dit ingebouwde patroon gedraagt zich als een eendimensionaal fotonisch kristal: de herhalende afwisseling van hoge-brekingsindex randen en luchtruimtes bepaalt sterk hoe licht zich kan voortplanten. Door de randhoogte, -breedte en -afstand zorgvuldig te kiezen, ontwerpt het team een "slow-light"-mode aan de rand van de fotonische band — het punt waar licht effectief langzaam over de structuur kruipt. Deze langzame, staande golf levert sterke optische feedback, waardoor de array zelf als laseertank kan fungeren terwijl het licht recht omhoog het chipoppervlak uitstraalt.

Licht vangen voor efficiënte werking

De belangrijkste fysieke truc is het benutten van zogeheten bound states in the continuum, speciale optische modi die in een frequentiebereik zitten waar radiatie is toegestaan maar toch worden opgesloten door symmetrie. In een ideale oneindige array zouden sommige van deze modi nooit lekken. In een echt, eindig apparaat breken kleine imperfecties en de beperkte grootte de symmetrie net genoeg om gecontroleerde verticale emissie toe te staan terwijl de optische verliezen laag blijven. Simulaties tonen welke modi het beste koppelen aan de nano-ridge quantum wells en hoe hun kleur verschuift wanneer randbreedte, periode of hoogte wordt aangepast. De belangrijkste parameters blijken de randbreedte en -afstand te zijn, waarmee de emissie over de versterkingsband van het materiaal kan worden afgestemd, grofweg van 980 tot 1060 nanometer, zonder het onderliggende halfgeleiderrecept te veranderen.

Van ontwerp naar werkende apparaten

Om het concept van een oneindige array naar compacte pixels te brengen, definieert het team eindige secties van nano-ridge-arrays en omringt die lateraal met "spiegel"-gebieden. In plaats van de periode te veranderen, modificeren ze de lokale brekingsindex licht door nabijgelegen openingen op te vullen met een transparant materiaal, wat de lokale fotonische band verschuift en licht terug in de centrale resonator reflecteert. Experimenten met veel apparaten en verschillende caviteitsgroottes tonen hoe de laserdrempel afhangt van de breedte: bredere caviteiten hebben over het algemeen lagere drempels omdat ze licht beter opsluiten, maar voorbij ongeveer 35 micrometer nemen de voordelen af en begint wanorde een rol te spelen. De beste apparaten vertonen lasing bij kamertemperatuur met drempels zo laag als 5–10 kilowatt per vierkante centimeter, smalle spectrale lijnen, sterke polarisatie langs de randen en schone, smalle bundels met hoekverspreidingen onder ongeveer 10 graden.

Wat dit kan betekenen voor toekomstige technologieën

In eenvoudige bewoordingen hebben de auteurs aangetoond dat rijen van kleine halfgeleider-randen, rechtstreeks gegroeid op een standaard siliciumwafel, kunnen fungeren als efficiënte oppervlaktemitterende lasers waarvan de kleur voornamelijk door geometrie wordt bepaald. Omdat de benadering gangbare siliciumverwerking hergebruikt, is ze goed geschikt voor grootschalige productie en co-integratie met fotonische en elektronische schakelingen. Door de materiaalsamenstelling aan te passen, zou hetzelfde platform uitgebreid kunnen worden van near-infrared datacom-links naar langere golflengten die gebruikt worden in LIDAR, milieusensing en spectroscopie. Met vervolgwerk aan elektrische injectie en elektrodedesign kunnen deze nano-ridge oppervlaktemitterende lasers praktijkrijpe on-chip lichtbronnen worden voor een breed scala aan toepassingen.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: siliciumfotonica, oppervlaktemitterende lasers, fotonische kristallen, nano-ridge lasers, geïntegreerde opto-elektronica