Поверхностно-излучающие лазеры на основе одномерных фотонных кристаллов и наноребер

Поверхностно-излучающие лазеры на наноребрах одномерного фотонного кристалла, эпитаксиально выращенные на стандартной 300-мм кремниевой пластине

Поверхностно-излучающие лазеры на основе одномерных фотонных кристаллов и наноребер

Монолитная интеграция эффективных лазерных источников на кремнии по-прежнему остаётся одной из ключевых нерешённых задач кремниевой фотоники. Это связано с тем, что прямой эпитаксиальный рост III–V полупроводников на кремнии сопровождается высоким уровнем дефектов из-за значительного несоответствия параметров кристаллических решёток.

Авторы применили технологию наноребер (nano-ridge engineering, NRE) в сочетании с selective area growth и aspect ratio trapping (ART) для получения высококачественных InGaAs/GaAs наноребер непосредственно на стандартных 300-мм кремниевых пластинах.

На основе обширных исследований по проектированию создан поверхностно-излучающий лазер на массиве нанорёбер, формирующих внутриплоскостную резонаторную полость одномерного фотонного кристалла с вертикальным выводом излучения.

Лазер работает на краю фотонной запрещённой зоны за счёт симметрийно-защищённых связанных состояний в континууме (bound states in the continuum, BICs). Такой подход обеспечивает высокую добротность резонатора и эффективное вертикальное излучение без использования дополнительных зеркал, в отличие от традиционных VCSEL.

Устройства изготовлены методом металлоорганической газофазной эпитаксии (MOVPE) на стандартных 300-мм пластинах. При оптической накачке лазером 532 нм достигнута устойчивая лазерная генерация с пороговой плотностью мощности от 5 кВт/см², однородным режимом работы и узкой шириной линии излучения всего 0,9 нм. Длина волны легко перестраивается путём изменения геометрии наноребер (чувствительность 2,5–3,5 нм на 1 нм изменения геометрии). Дивергенция луча в дальнем поле — менее 10°, с характерным звездообразным паттерном, типичным для BICs.

Преимущества: 

Это первая экспериментальная демонстрация такого поверхностно-излучающего лазера на стандартной 300-мм кремниевой пластине, полностью совместимая с CMOS-процессами. Технология позволяет создавать плотные массивы перестраиваемых лазеров с низкой стоимостью и высокой масштабируемостью. 

Применения: 

  • телекоммуникации
  • LIDAR-системы
  • газовая спектроскопия
  • датчики
  • дата-центры и потребительская оптика. 

В перспективе — переход к электрической накачке, что сделает устройства ещё более энергоэффективными и дешёвыми. Ограничение на данном этапе — оптическая накачка, но работа открывает путь к решению этой проблемы.

One-dimensional photonic crystal nano-ridge surface emitting lasers epitaxially grown on a standard 300 mm silicon wafer
Авторы: Eslam M. B. Fahmy и др. (Ghent University — imec, Бельгия).
Журнал: Light: Science & Applications, 24 февраля 2026.