首创晶体激光器可驱动更安全的传感器和更智能的技术设备

数十年来，电气与计算机工程教授Kent Choquette的实验室一直致力于研究VCSEL（垂直腔面发射激光器），这种表面发射激光器广泛应用于智能手机、激光打印机、条形码扫描仪甚至车辆等常见技术领域。但在2020年初，Choquette实验室被日本研究团队的开创性成果所吸引——该团队推出了一种名为光子晶体表面发射激光器（PCSEL）的新型激光器。

PCSEL是半导体激光器的新兴领域，它利用光子晶体层产生具有高亮度、窄圆形光斑等优异特性的激光束。此类激光器在国防领域应用广泛，例如用于战场测绘、导航和目标追踪的激光雷达遥感技术。在空军研究实验室的资助下，Choquette团队希望研究这项新技术，并在该发展领域实现自主突破。

论文第一作者、电气与计算机工程研究生Erin Raftery表示："我们确信PCSEL在未来将具有极其重要的意义。目前该技术尚未达到工业成熟阶段，而我们希望为此贡献力量。"

传统PCSEL制造通常采用空气孔技术——在半导体材料外延再生时将这些孔洞嵌入器件内部。然而半导体原子容易重新排列并填充孔洞，破坏光子晶体结构的完整性和均匀性。为解决该问题，伊利诺伊大学格兰杰工程学院团队创新性地采用固体介电材料替代空气孔，防止光子晶体在外延再生过程中变形。通过将二氧化硅作为光子晶体层嵌入半导体再生结构，研究人员首次实现了具有埋入式介电结构的PCSEL概念验证设计。

"首次尝试再生介电材料时，我们甚至不确定其可行性，"Raftery解释道，"理想的半导体生长需要在基底上保持纯净的晶体结构，这对二氧化硅等非晶材料极具挑战。但我们成功实现了介电材料周围的横向生长，并在其顶部完成了晶格融合。"

该领域学者预测，未来20年内这类新型改进激光器将应用于自动驾驶汽车、激光切割、焊接及自由空间通信。与此同时，伊利诺伊大学工程师将持续优化现有设计，通过添加电极触点使激光器能接入电流源工作。

"这项成果离不开Erin与Minjoo Larry Lee团队成员的协作，以及莱特-帕特森空军基地空军研究实验室的设施支持与专业贡献，"Choquette强调，"我们期待实现二极管PCSEL的运作。"

Kent Choquette教授任职于伊利诺伊大学格兰杰工程学院电气与计算机工程系，隶属于霍洛亚克微纳技术实验室，并持有亚伯·布利斯工程学教授席位。

Minjoo Larry Lee教授任职于伊利诺伊大学格兰杰工程学院电气与计算机工程系，担任霍洛亚克微纳技术实验室主任，同时为英特尔校友基金会捐赠讲席教授。