Endimensionella fotoniska kristall-nanoridgytor utsändande lasrar epitaxiellt växta på en standard 300 mm kiselplatta

Nya mikrolasrar för kiselkretsar

Lasrar är de osynliga arbetshästarna inne i datacenter, smartphones och sensorer. Dagens vanligaste små lasrar, så kallade VCSEL, är emellertid svåra att framställa i många våglängder och integreras inte lätt med de kiselskivor som driver vår elektronik. Denna forskning visar en ny typ av mikroskopisk laser, växt direkt på en standard 300 mm kiselplatta, som kan göra ljuskällor på kretsen billigare, mer mångsidiga och enklare att skala upp.

Varför dagens kisel-lasrar inte räcker till

Vertikal-kavitet ytutsändande lasrar (VCSEL) är populära eftersom de är kompakta och kan testas direkt på skivan. De bygger dock på tjocka staplar av noggrant växande spegellager och fungerar bäst bara vid några standardvåglängder, såsom 850 och 980 nanometer. Att flytta dem till de längre våglängder som behövs för telekommunikation eller sensorer är svårt och kostsamt. Att framställa många olika våglängder på samma skiva är ännu svårare, och att direkt kombinera VCSEL med konventionell kiselbaserad elektronik görs sällan. Dessa begränsningar driver sökandet efter laserkonstruktioner som är enklare att växa, lättare att stämma och naturligt kompatibla med kiselbearbetning.

Bygga lasrar av nano-ridgor

Författarna använder en teknik kallad aspect ratio trapping och nano-ridge-engineering för att växa högkvalitativt ljusemitterande material direkt på mönstrad kisel. Istället för att bilda ett kontinuerligt skikt bildar det aktiva materialet en regelbunden matris av extremt smala, höga remsor, så kallade nano-ridgor. Detta inbyggda mönster uppträder som en endimensionell fotonisk kristall: den upprepade sekvensen av hög-index-ridgor och luftspalter formar starkt hur ljus kan färdas. Genom att noggrant välja ridge-höjd, bredd och avstånd designar teamet ett ”slow-light”-läge vid kanten av det fotoniska bandet — punkten där ljuset i praktiken kryper fram längs strukturen. Denna långsamma, stående våg ger stark optisk återkoppling, vilket tillåter att matrisen själv fungerar som laserresonator samtidigt som ljuset skickas rakt upp från ytan.

Fånga ljus för effektiv drift

Det centrala fysiska knepet är att utnyttja så kallade bundna tillstånd i kontinuumet, speciella optiska lägen som ligger i ett frekvensområde där strålning tillåts men ändå förblir bundna på grund av symmetri. I en ideal infinite matris skulle några av dessa lägen aldrig läcka ut. I en verklig, ändlig enhet bryts symmetrin av små imperfektioner och begränsad storlek precis tillräckligt för att tillåta kontrollerad vertikal utsändning samtidigt som de optiska förlusterna hålls låga. Simulationer visar vilka lägen som kopplar bäst till nano-ridge-kvantbrunnarna och hur deras färg skiftar när ridge-bredd, period eller höjd ändras. De viktigaste parametrarna visar sig vara ridge-bredd och avstånd, vilka kan stämma utsändningen över materialets förstärkningsband, ungefär från 980 till 1060 nanometer, utan att ändra den underliggande halvledarrecepten.

Från design till fungerande enheter

För att omvandla konceptet med en oändlig matris till kompakta pixlar definierar teamet ändliga sektioner av nano-ridge-matriser och omger dem lateralt med ”spegelliknande” regioner. Istället för att ändra perioden modifierar de något det lokala brytningsindexet genom att fylla närliggande spalter med ett transparent material, vilket flyttar det lokala fotoniska bandet och reflekterar ljus tillbaka in i den centrala resonatorn. Experiment på många enheter med olika resonatorstorlekar visar hur lasernes tröskel beror på bredd: bredare resonatorer har generellt lägre trösklar eftersom de bättre fänger in ljuset, men efter ungefär 35 mikrometer mättar vinsten och störning börjar spela in. De bästa enheterna uppvisar lasing vid rumstemperatur med tröskelvärden så låga som 5–10 kilowatt per kvadratcentimeter, smala spektrallinjer, stark polarisation längs ridgorna och rena, smala strålar med vinkelspridning under cirka 10 grader.

Vad detta kan betyda för framtida teknologier

Enkelt uttryckt har författarna visat att rader av små halvledarridgor, växta direkt på en standard kiselplatta, kan fungera som effektiva ytutsändande lasrar vars färg i huvudsak bestäms av geometrin. Eftersom metoden återanvänder mainstream kiselbearbetning lämpar den sig väl för storskalig tillverkning och för samintegration med fotoniska och elektroniska kretsar. Genom att justera materialkompositionen kan samma plattform utsträckas från närinfraröda datakom-länkar till längre våglängder som används i LIDAR, miljösensorik och spektroskopi. Med framtida arbete kring elektrisk injektion och elektroddesign kan dessa nano-ridge ytutsändande lasrar bli praktiska ljuskällor på kretsen för ett brett spektrum av tillämpningar.

Citering: 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

Nyckelord: kisel-fotonik, ytutsändande lasrar, fotoniska kristaller, nano-ridge-lasrar, integrerad optoelektronik