首创晶体激光器可驱动更安全的传感器和更智能的技术

几十年来，电气与计算机工程教授肯特·乔奎特（Kent Choquette）的实验室一直致力于研究垂直腔面发射激光器（VCSELs）。这种表面发射激光器广泛应用于智能手机、激光打印机、条形码扫描仪乃至车辆等常见技术中。但在2020年初，乔奎特实验室对日本研究团队的一项突破性研究产生了浓厚兴趣，该团队推出了一种名为光子晶体表面发射激光器（PCSELs）的新型激光器。

PCSELs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、窄圆斑尺寸等优异特性的激光束。此类激光器在国防应用领域极具价值，例如用于战场测绘、导航和目标跟踪的遥感技术——激光雷达（LiDAR）。在空军研究实验室的资助下，乔奎特团队希望深入研究这项新技术，并在这个蓬勃发展的领域取得自己的突破。

"我们相信PCSELs在未来将变得极其重要，"电气与计算机工程专业研究生、论文第一作者艾琳·拉弗蒂（Erin Raftery）表示，"它们目前尚未实现工业化成熟，而我们希望为此做出贡献。"

传统PCSELs通常采用气孔结构制作，当半导体材料在周边再生长后，这些气孔会被嵌入器件内部。然而，半导体原子倾向于重新排列并填充这些气孔，从而破坏光子晶体结构的完整性和均匀性。为解决此问题，伊利诺伊大学格兰杰工程学院的工程师们用固体介电材料替代气孔，以防止光子晶体在再生长过程中变形。通过在半导体再生长层中嵌入二氧化硅作为光子晶体层的一部分，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。

"首次尝试再生长介电材料时，我们甚至不确定其可行性，"拉弗蒂解释道，"理想的半导体生长需要从基层开始始终保持纯净的晶体结构，这对于二氧化硅这类非晶材料而言难以实现。但事实上我们成功实现了在介电材料侧向生长并在其顶部融合。"

该领域专家预期在未来20年内，这些经过改良的新型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领域。与此同时，伊利诺伊大学工程师们将继续改进现有设计，通过增加电极接触点重构相同器件，使激光器能连接电流源获取电力。

"艾琳与闵周·拉里·李（Minjoo Larry Lee）团队成员的联合专长，以及赖特-帕特森空军基地空军研究实验室的设施与专业知识，是取得此项成果的必要条件，"乔奎特强调，"我们期待着二极管PCSEL的实际运行。"

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教授，隶属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教授，现任霍洛尼亚克微纳技术实验室主任，并担任英特尔校友捐赠教席学者。