Одномерные фотонные кристаллы: нанориджевые поверхностно излучающие лазеры, эпитаксиально выращенные на стандартной 300 мм кремниевой пластине

Новые крошечные лазеры для кремниевых микросхем

Лазеры — невидимые рабочие лошадки внутри дата‑центров, смартфонов и датчиков. Тем не менее самые распространённые из них на микроуровне, так называемые VCSEL, трудно изготавливать во многих длинах волн, и их сложно интегрировать с кремниевыми чипами, управляющими нашей электроникой. В этой работе демонстрируется новый тип микроскопических лазеров, выращенных прямо на стандартной 300‑мм кремниевой пластине, который может сделать источники света на чипе дешевле, универсальнее и проще масштабируемыми.

Почему существующие лазеры для чипов не идеальны

Вертикально‑резонаторные поверхностно‑излучающие лазеры (VCSEL) популярны благодаря компактности и возможности тестирования прямо на пластине. Однако они опираются на толстые стопки точно выращенных зеркальных слоёв и наиболее эффективны лишь на нескольких стандартных длинах волн, например 850 и 980 нанометров. Сдвиг их работы на более длинные волны, необходимые для телекоммуникаций или датчиков, сложен и дорогостоящ. Выпуск множества различных длин волн на одной пластине ещё труднее, и прямая интеграция VCSEL с традиционной электроникой на кремнии встречается редко. Эти ограничения стимулируют поиск конструкций лазеров, которые проще выращивать, легче настраивать и естественно совместимы с кремниевым производством.

Создание лазеров из нанориджей

Авторы используют метод, называемый «пойманием по аспектному отношению» (aspect ratio trapping) и инженерией нанориджей, чтобы выращивать высококачественный световыделяющий материал непосредственно на текстурированном кремнии. Вместо непрерывного слоя активный материал формирует регулярный массив чрезвычайно узких, высоких полос — так называемых нанориджей. Эта встроенная периодическая структура ведёт себя как одномерный фотонный кристалл: повторяющаяся последовательность полос с высоким показателем преломления и воздушных промежутков сильно формирует пути распространения света. Тщательно выбирая высоту, ширину и шаг риджей, команда проектирует «медленное‑световое» (slow‑light) модовое состояние на краю фотонной зоны — точку, где свет фактически замедляется вдоль структуры. Эта медленная стоячая волна обеспечивает сильную оптическую обратную связь, позволяя самому массиву выступать в роли лазерной полости и одновременно излучать свет перпендикулярно поверхности чипа.

Удержание света для эффективной работы

Ключевой физический приём — использование так называемых связанных состояний в континууме (bound states in the continuum), особых оптических мод, которые находятся в частотном диапазоне, где допустима радиация, но остаются захваченными из‑за симметрии. В идеальном бесконечном массиве некоторые из этих мод никогда бы не утекали. В реальном конечном устройстве незначительные несовершенства и конечный размер слегка нарушают симметрию, позволяя управляемое вертикальное излучение при сохранении низких оптических потерь. Моделирование показывает, какие моды лучше всего связываются с квантовыми ямами нанориджей и как их цвет сдвигается при изменении ширины, периода или высоты риджей. Наиболее важными параметрами оказываются ширина и расстояние между риджами, которые могут настраивать излучение в пределах усилительного диапазона материала, примерно от 980 до 1060 нанометров, без изменения базового состава полупроводника.

От дизайна к рабочим устройствам

Чтобы превратить концепт бесконечного массива в компактные пиксели, команда определяет конечные секции массивов нанориджей и окружает их по бокам «зеркальными» областями. Вместо изменения периода они слегка модифицируют локальный показатель преломления, заполняя соседние зазоры прозрачным материалом, что сдвигает местную фотонную зону и отражает свет обратно в центральную полость. Эксперименты на большом числе устройств с разными размерами полостей показывают, как порог лазерной генерации зависит от ширины: более широкие полости обычно имеют более низкие пороги, поскольку лучше конфайнить свет, но после примерно 35 микрометров эффект насыщается и начинает играть роль беспорядок. Лучшие устройства демонстрируют лазерную генерацию при комнатной температуре с порогом всего 5–10 киловатт на квадратный сантиметр, узкие спектральные линии, сильную поляризацию вдоль риджей и чистые узкие лучи с угловым рассеянием менее примерно 10 градусов.

Что это может означать для будущих технологий

Проще говоря, авторы показали, что ряды крошечных полупроводниковых риджей, выращенных прямо на стандартной кремниевой пластине, могут выступать в роли эффективных поверхностно‑излучающих лазеров, чей цвет определяется в основном геометрией. Поскольку подход повторно использует основные процессы кремниевой технологии, он хорошо подходит для крупномасштабного производства и для сопроинтеграции с фотонными и электронными схемами. Путём изменения состава материалов эта платформа может быть расширена от ближнего инфракрасного диапазона для каналов передачи данных к более длинным длинам волн, используемым в LIDAR, экологическом мониторинге и спектроскопии. С дальнейшими работами по электрическому накачиванию и проектированию электродов эти нанориджевые поверхностно‑излучающие лазеры могут стать практичными источниками света на чипе для широкого спектра приложений.

Цитирование: 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

Ключевые слова: кремниевая фотоника, поверхностно излучающие лазеры, фотонные кристаллы, нанориджевые лазеры, интегрированная оптоэлектроника