在氮化硅光子集成电路中原位生长可见光InP量子点激光器

将红光带到芯片上

未来的许多技术——从量子计算机到超小型医疗传感器以及下一代显示器——都依赖于能够直接集成在芯片上的微小、高效光源。本文展示了研究人员如何在基于硅的光子电路内部直接生长发亮的红色激光器，为朝着在可见波段而非仅在当今数据中心常用的红外波段工作的紧凑、低成本光学芯片迈出了重要一步。

为什么芯片上的可见光很重要

标准硅芯片在处理电信号方面表现出色，但在引导可见光方面效果不佳，因为硅会吸收可见光。一种相关材料——氮化硅，在包括大部分可见光谱在内的宽光谱范围内都是透明的，而且可以使用与传统电子制造相同的大规模工艺来制作。如果能够在氮化硅光子电路上直接构建可靠的光源，单片芯片就可能用于路由、分配和处理光束（用于量子信息）、通过光学指纹分析生物样本，或为增强现实显示投影图像。然而，直到现在，大多数直接生长在硅上的片上激光器都在红外波段工作，而可见的红色激光器尤其难以集成。

在显微“口袋”中生长微小红色激光器

研究团队通过在氮化硅光子电路中刻蚀窄小的“口袋”，然后仅在这些凹陷区域内生长激光材料来解决这一问题。基底是硅晶片，上面覆盖一层薄薄的锗以缓解晶格应力并减少缺陷。在其上方，玻璃和氮化硅层形成低损耗波导。研究人员蚀刻这些层形成沟槽直到暴露出锗，然后选择性地在口袋内生长高质量的砷化镓。最后，他们使用分子束外延——一种精密的气相生长方法——沉积构成激光器核心的半导体层堆栈。

利用量子点实现稳定的红光

每个器件的核心是由磷化铟量子点构成的有源区，嵌入在经过精心设计的包覆层中。量子点是纳米级的岛状结构，能强烈束缚电子和空穴，使其表现得像人工原子，这可以提高效率并使器件对晶体缺陷更具容忍性。显微成像显示在生长结构中存在致密且形态良好的量子点层，而在快速热退火步骤后的光学测试则显示出在大约745–752纳米处的强烈红光发射，明确处于深红波段。尽管由于图案化晶圆使生长时的温度控制更为复杂，团队仍实现了与在更简单基底上报道的最佳结构相竞争的量子点密度和光学质量。

片上红色激光器的性能

在定义窄脊并将器件端面切割成镜面后，研究人员在室温下用连续电流驱动测试了完成的边发射激光器。他们报告了非常低的阈值电流密度——即启动激光所需的单位面积电流——为450安培每平方厘米，并且单侧发射端的输出功率超过10毫瓦，尽管尚未将光耦合入氮化硅波导。这些阈值显著低于先前在硅上生长的可比红色量子点激光器，而总体效率与在更理想、未图案化模板上制造的先前器件相当。激光器在约50°C之前仍能持续发出毫瓦级功率，其热特性与其他最先进的红色量子点激光器相似。

对未来光子芯片的意义

简单来说，这项研究表明可以在不牺牲性能的前提下，将高亮度、高效的红色激光器直接生长在氮化硅光子电路的结构内部。虽然该工作尚未演示将光完全耦合入波导，但它验证了关键一步：在代工处理的芯片中嵌入高质量的可见波长增益材料。通过未来的改进——例如用于量产的蚀刻镜面和改进的热设计——这种方法可能实现高密度可见光光子集成电路，支撑从生物传感器和量子处理器到紧凑显示与传感系统等可在单片芯片上实现的应用。

引用: 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

关键词: 氮化硅光子学, 硅上可见光激光器, 量子点激光器, 集成光子电路, 红光光源