Wzrost wbudowanych widocznych laserów kropkowych InP w fotonicznych układach scalonych z azotku krzemu

Wprowadzenie czerwonego światła na chip

Wiele przyszłych technologii — od komputerów kwantowych po ultrasmalе sensory medyczne i wyświetlacze następnej generacji — wymaga małych, wydajnych źródeł światła umieszczonych bezpośrednio na chipie. Artykuł pokazuje, jak badacze wyhodowali jasno świecące lasery emitujące czerwone światło bezpośrednio wewnątrz fotonicznego układu na bazie krzemu, wskazując drogę do kompaktowych, niskokosztowych układów optycznych działających w zakresie widzialnym zamiast wyłącznie podczerwieni wykorzystywanej dziś w centrach danych.

Dlaczego widoczne światło na chipie ma znaczenie

Standardowe chipy krzemowe świetnie radzą sobie z sygnałami elektrycznymi, ale słabo prowadzą widzialne światło, ponieważ krzem je absorbuje. Bliska krewniacza materia, azotek krzemu, jest przezroczysta w szerokim zakresie kolorów, obejmującym dużą część spektrum widzialnego, i można go wytwarzać przy użyciu tych samych narzędzi produkcji wielkoskalowej co konwencjonalną elektronikę. Gdyby niezawodne źródła światła można było zbudować bezpośrednio na fotonicznych układach z azotku krzemu, pojedynczy chip mógłby kierować, dzielić i przetwarzać wiązki światła dla informacji kwantowej, analizować próbki biologiczne po ich optycznym „odcisku palca” albo wyświetlać obrazy dla urządzeń rozszerzonej rzeczywistości. Do tej pory jednak większość laserów na chipie, hodowanych bezpośrednio na krzemie, działała w zakresie podczerwieni, a integrowanie czerwonych laserów widzialnych było szczególnie trudne.

Hodowla mikroskopijnych czerwonych laserów w kieszonkach

Zespół rozwiązuje ten problem, wycinając w fotonicznym układzie z azotku krzemu wąskie „kieszonki”, a następnie hodując materiał laserowy jedynie w tych zagłębionych obszarach. U podstawy znajduje się płytka krzemowa, pokryta cienką warstwą germanu, która pomaga rozładować naprężenia krystaliczne i zmniejszyć defekty. Powyżej leżą warstwy szkła i azotku krzemu tworzące niskostratne prowadnice fal. Badacze trawią rowki przez te warstwy aż do odsłonięcia germanu, a następnie selektywnie hodują wysokiej jakości arsenek galu w kieszonkach. Na koniec stosują epitaksję wiązkową molekularną — precyzyjną metodę wzrostu z fazy gazowej — aby osadzić układy warstw półprzewodnikowych, które tworzą serce lasera.

Wykorzystanie kropek kwantowych dla stabilnego czerwonego światła

Rdzeń każdego urządzenia stanowi obszar aktywny z kropkami kwantowymi z fosforku indu (InP) osadzonymi w starannie zaprojektowanych warstwach otaczających. Kropki kwantowe to nanometrowe „wyspy”, które tak silnie ograniczają elektrony i dziury, że zachowują się jak sztuczne atomy, co może poprawić efektywność i zwiększyć odporność urządzeń na niedoskonałości krystaliczne. Pomiary mikroskopowe pokazują gęste, dobrze ukształtowane warstwy kropek kwantowych wewnątrz wyhodowanej struktury, natomiast testy optyczne po szybkim wygrzewaniu termicznym ujawniają silną emisję w zakresie około 745–752 nanometrów, czyli w głębokiej części czerwonego spektrum. Chociaż kontrola temperatury podczas wzrostu jest utrudniona przez wzorzec na płytce, zespół osiąga gęstość kropek i jakość optyczną konkurencyjną z najlepszymi opisanymi strukturami na prostszych podłożach.

Wydajność czerwonych laserów na chipie

Po zdefiniowaniu wąskich grzbietów i przecięciu końców urządzeń, aby pełniły rolę zwierciadeł, badacze testują ukończone lasery krawędziowe przy ciągłym zasilaniu elektrycznym w temperaturze pokojowej. Raportują niezwykle niską gęstość prądu progowego — czyli ile prądu na jednostkę powierzchni potrzeba, aby rozpocząć działanie lasera — wynoszącą 450 amperów na centymetr kwadratowy, oraz ponad 10 miliwatów mocy wyjściowej z pojedynczego facetu, mimo że światło nie jest jeszcze sprzężone z prowadnicami fal z azotku krzemu. Progi te są znacząco niższe niż w porównywalnych czerwonych laserach z kropek kwantowych wcześniej hodowanych na krzemie, a ogólna sprawność odpowiada wcześniejszym urządzeniom wykonanym na bardziej idealnych, niewzorzecowanych podłożach. Lasery utrzymują emisję na poziomie miliwatów do około 50 °C, z zachowaniem termicznym podobnym do innych zaawansowanych czerwonych laserów z kropek kwantowych.

Co to oznacza dla przyszłych układów fotonicznych

Mówiąc wprost, badanie pokazuje, że jasne, wydajne czerwone lasery można hodować bezpośrednio w strukturze fotonicznego układu z azotku krzemu bez poświęcania wydajności. Choć praca ta nie demonstruje jeszcze pełnego sprzężenia optycznego z prowadnicami, potwierdza kluczowy etap: osadzanie wysokiej jakości materiału aktywnego działającego w widzialnym zakresie fal w układach przetwarzanych w fabrykach. Przy kolejnych udoskonaleniach — takich jak trawione zwierciadła do produkcji masowej i lepsze zarządzanie termiczne — podejście to mogłoby umożliwić gęsto upakowane zintegrowane układy fotoniczne dla światła widzialnego, zasilając zastosowania od biosensorów i procesorów kwantowych po kompaktowe systemy wyświetlania i detekcji mieszczące się na pojedynczym chipie.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: fotoniczne układy z azotkiem krzemu, widoczne lasery na krzemie, lasery z kropek kwantowych, zintegrowane układy fotoniczne, źródła światła czerwonego