在标准300 mm硅晶圆上外延生长的一维光子晶体纳米脊面发射激光器

为硅芯片带来的新型微小激光器

激光器是数据中心、智能手机和传感器中不为人见却关键的工作元件。然而，目前最常见的小型激光器——垂直腔面发射激光器（VCSEL）——在多种波长上制造困难，并且难以与驱动电子器件的硅芯片集成。本文展示了一种直接在标准300 mm硅晶圆上生长的新型显微激光器，有望让片上光源更便宜、更灵活且更易规模化。

为何现有芯片激光器难以满足需求

VCSEL受欢迎的原因在于其体积小且可以在晶圆上直接测试。然而，它们依赖厚而精确生长的反射镜层，且在少数标准波长（如850和980纳米）表现最佳。将它们移动到电信或检测所需的更长波长既困难又昂贵。在同一晶圆上制造多种波长更是难上加难，而且将VCSEL直接与常规硅基电子器件结合也很少见。这些局限促使人们寻找更易生长、更易调谐且天然兼容硅制造的激光设计。

从纳米脊构建激光器

作者采用纵横比捕获（aspect ratio trapping）和纳米脊工程技术，在图案化的硅上直接生长高质量的发光材料。活性材料不是形成连续层，而是形成一系列极窄且较高的条状结构，称为纳米脊。这种固有的周期性结构表现为一维光子晶体：高折射率的脊与空气间隙重复排列，强烈地决定了光的传播方式。通过精心选择脊的高度、宽度和间距，团队设计出位于光子带边缘的“慢光”模式——光在结构中有效地缓慢传播。这个慢速、驻波性质为强光学反馈提供条件，使得阵列本身充当激光腔，同时将光垂直向上从芯片表面发射。

利用束缚态实现高效运行

关键物理技巧是利用所谓的连续谱中束缚态（bound states in the continuum），这些是位于允许辐射的频率范围但因对称性而被束缚的特殊光学模式。在理想的无限阵列中，这些模式有些永不泄漏。在实际有限器件中，微小的不完美和有限尺寸稍微破坏了对称性，从而允许可控的垂直发射，同时保持较低的光学损耗。仿真表明哪些模式与纳米脊量子阱耦合最佳，以及当脊宽、周期或高度改变时它们的色散如何变化。最重要的参数是脊宽和间距，它们可以在不改变底层半导体制作工艺的情况下，将发射波长在材料的增益带内调谐，大致从980到1060纳米。

从设计到工作器件

为将无限阵列的概念变为紧凑像素，团队定义了有限区段的纳米脊阵列，并在侧面用“镜面”区域环绕它们。他们没有改变周期，而是通过用透明材料填充相邻间隙来微调折射率，这会移动局部光子带并将光反射回中心腔。对多种不同腔尺寸的器件进行实验揭示了激光阈值如何随宽度变化：更宽的腔通常阈值更低，因为它们对光的约束更好，但在约35微米以上增益趋于饱和且无序效应开始显现。最佳器件在室温下表现出激光行为，阈值低至每平方厘米5–10千瓦，谱线窄，偏振沿脊方向强烈，束斑干净且出射角散布小于约10度。

对未来技术的意义

简单来说，作者展示了直接生长在标准硅晶圆上的一排排微小半导体脊可以作为高效的面发射激光器，其发射颜色主要由几何形状决定。由于该方法可复用主流硅加工工艺，它非常适合大规模制造并能与光子与电子电路共同集成。通过调整材料成分，同一平台可从近红外数据通信扩展到用于激光雷达、环境监测和光谱学的更长波长。随着对电注入和电极设计的进一步研究，这些纳米脊面发射激光器有望成为广泛应用的实用片上光源。

引用: 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

关键词: 硅光子学, 面发射激光器, 光子晶体, 纳米脊激光器, 集成光电学