首创晶体激光器有望为更安全的传感器和更智能的技术提供动力

数十年来，肯特·乔奎特教授领导的电气与计算机工程实验室始终致力于研究VCSEL（垂直腔面发射激光器），这种应用于智能手机、激光打印机、条形码扫描仪乃至汽车等常见技术的激光器件。但在2020年初，该实验室开始关注日本研究团队提出的突破性成果——一种名为光子晶体表面发射激光器（PCSEL）的新型激光技术。

PCSEL是半导体激光器的新兴领域，其通过光子晶体层产生具有高亮度、窄圆光斑等优异特性的激光束。这种激光器在国防领域具有重要应用价值，例如用于战场测绘、导航和目标追踪的激光雷达（LiDAR）遥感技术。在美国空军研究实验室资助下，乔奎特团队希望深入研究这项新技术，并在这个快速发展的领域取得原创性突破。

"我们相信PCSEL将在未来发挥极其重要的作用，"论文第一作者、电气与计算机工程专业研究生艾琳·拉夫特里表示，"这项技术尚未实现工业化成熟，我们希望能为此贡献力量。"

传统PCSEL制造通常采用空气孔结构，这些孔洞在半导体材料外延再生过程中会被周边材料包围。然而半导体原子容易重新排列并填满这些孔洞，从而破坏光子晶体结构的完整性与均匀性。为解决这一难题，伊利诺伊大学格兰杰工程学院的工程师们用固态介电材料替代空气孔，有效防止光子晶体在外延过程中变形。通过将二氧化硅作为光子晶体层的一部分嵌入半导体再生层，研究人员首次实现了具有埋入式介电特征的PCSEL概念验证设计。

"首次尝试介电材料再生时，我们甚至不确定其可行性，"拉夫特里回忆道，"理想的半导体生长需要从基层开始保持纯净的晶体结构，这对二氧化硅这类非晶材料极具挑战。但我们成功实现了介电材料侧向外延生长并完成顶部融合。"

业内预计未来20年内，这种新型改良激光器将应用于自动驾驶汽车、激光切割、焊接和自由空间、激光切割、焊接和自由空间通信等领域。伊利诺伊大学的研究团队将继续优化现有设计，通过添加电极触点使激光器能够连接电流源工作。

"艾琳与闵周·拉里·李团队成员的专长，加上赖特-帕特森空军基地空军研究实验室的设施支持，是取得这项成果的关键，"乔奎特表示，"我们期待实现二极管PCSEL的运作。"

肯特·乔奎特是伊利诺伊大学格兰杰工程学院电气与计算机工程系教授，同时任职于霍洛尼亚克微纳技术实验室，并担任阿贝尔·布利斯工程讲席教授。

闵周·拉里·李是伊利诺伊大学格兰杰工程学院电气与计算机工程系教授，现任霍洛尼亚克微纳技术实验室主任，并获英特尔校友捐赠教席学者荣誉。