Встроенный рост видимых лазеров на квантовых точках InP в фотонных интегрированных схемах из нитрида кремния

Приведение красного света на кристалл

Многие технологии будущего — от квантовых компьютеров до миниатюрных медицинских датчиков и дисплеев следующего поколения — зависят от крошечных эффективных источников света, которые можно разместить прямо на микрочипе. В этой работе показано, как исследователи выращивали яркие лазеры, излучающие в красной области спектра, непосредственно внутри фотонной схемы на кремниевой основе, прокладывая путь к компактным и недорогим оптическим чипам, работающим в видимом диапазоне, а не только в инфракрасной области, используемой в современных центрах обработки данных.

Почему важна видимая свет на чипах

Обычные кремниевые чипы отлично подходят для обработки электрических сигналов, но плохо проводят видимый свет, поскольку кремний его поглощает. Родственный материал — нитрид кремния — прозрачен в широком диапазоне цветов, включая большую часть видимого спектра, и может изготавливаться с использованием тех же масштабных производственных технологий, что и обычная электроника. Если надежные источники света удастся встроить прямо в фотонные схемы на основе нитрида кремния, один чип сможет направлять, разделять и обрабатывать световые пучки для квантовой информации, анализировать биологические образцы по их оптическим «отпечаткам» или проецировать изображения для устройств дополненной реальности. До настоящего времени большинство лазеров на чипе, выращенных непосредственно на кремнии, работали в инфракрасной области, и интеграция видимых красных лазеров оставалась особенно сложной задачей.

Выращивание крошечных красных лазеров в микроскопических карманах

Команда решает эту проблему, вырезая узкие «карманы» в фотонной схеме из нитрида кремния и выращивая лазерный материал только внутри этих углублений. В основании находится кремнивая подложка, сверху которой лежит тонкий слой германия, помогающий снять кристаллическое напряжение и снизить количество дефектов. Над ним слои стекла и нитрида кремния образуют волноводы с малыми потерями. Исследователи травят траншеи через эти слои до тех пор, пока не откроют германиевый слой, а затем избирательно выращивают высококачественный арсенид галлия внутри карманов. Наконец, они используют молекулярно‑лучевую эпитаксию — точный метод роста из паровой фазы — для осаждения стопок полупроводниковых слоев, образующих сердцевину лазера.

Использование квантовых точек для стабильного красного излучения

В основе каждого устройства лежит активная область из квантовых точек фосфида индия, встроенных в тщательно спроектированные окружающие слои. Квантовые точки — это нанометровые островки, которые настолько сильно локализуют электроны и дырки, что ведут себя как искусственные атомы; это может повысить эффективность и сделать устройства более устойчивыми к кристаллическим дефектам. Микроскопические измерения показывают плотный, хорошо сформированный слой квантовых точек внутри выращенной структуры, а оптические тесты после быстрого термического отжига выявляют сильное красное излучение в области примерно 745–752 нанометров, то есть в глубоко‑красной части спектра. Хотя контроль температуры во время роста осложняется наличием паттерна на пластине, команде удалось получить плотность точек и оптическое качество, сопоставимые с лучшими известными структурами на более простых подложках.

Характеристики встраиваемых красных лазеров

После формирования узких гребней и отрезания торцов устройств для выполнения роли зеркал исследователи испытывают завершённые лазеры с излучением с края при непрерывном электрическом питании при комнатной температуре. Они сообщают о необычно низкой пороговой плотности тока — то есть о количестве электрического тока на единицу площади, необходимом для начала генерации — равной 450 амперам на квадратный сантиметр, а также о выходной мощности более 10 милливатт с одного фасета, несмотря на то, что свет пока не подведён в волноводы из нитрида кремния. Эти пороги существенно ниже, чем у сопоставимых красных лазеров на квантовых точках, ранее выращенных на кремнии, а общая эффективность сопоставима с ранними устройствами, изготовленными на более идеальных, непаттернированных шаблонах. Лазеры продолжают излучать мощность уровня милливатт примерно до 50 °C, демонстрируя тепловое поведение, схожее с другими современными красными лазерами на квантовых точках.

Что это означает для будущих фотонных чипов

Проще говоря, исследование показывает, что яркие и эффективные красные лазеры могут быть выращены непосредственно внутри структуры фотонной схемы из нитрида кремния без потери производительности. Хотя в работе ещё не продемонстрировано полное оптическое сопряжение с волноводами, выполнен ключевой шаг: внедрение высококачественного усилительного материала видимой длины волны в платы, обработанные на фабричном уровне. С дальнейшими усовершенствованиями — такими как травленые зеркала для массового производства и улучшенный тепловой дизайн — этот подход может позволить создавать плотные интегрированные фотонные схемы для видимого света, обеспечивая приложения от биосенсоров и квантовых процессоров до компактных систем отображения и сенсоров, помещающихся на одном чипе.

Цитирование: 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

Ключевые слова: фотоника на нитриде кремния, видимые лазеры на кремнии, лазеры на квантовых точках, интегрированные фотонные схемы, источники красного света