首款晶体激光器可驱动更安全的传感器和更智能技术

数十年来，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），这是一种应用于智能手机、激光打印机、条形码扫描仪乃至车辆等常见技术的表面发射激光器。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浓厚兴趣，该研究引入了一种新型激光器——光子晶体表面发射激光器（PCSELs）。

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、窄圆形光斑等优异特性的激光束。此类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，并在这个不断发展的领域取得突破。

"我们相信PCSELs未来将极其重要，"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（Erin Raftery）表示，"该技术尚未达到工业成熟阶段，而我们希望为此做出贡献。"

PCSELs通常采用气孔结构制造，当半导体材料在周边区域再生长时，这些气孔会嵌入器件内部。然而半导体原子倾向于重新排列并填充这些孔洞，从而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的工程师们采用固态电介质材料替代气孔结构，防止光子晶体在再生长过程中变形。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长区域，研究人员首次实现了具有埋入式电介质结构的PCSEL概念验证设计。

"首次尝试电介质再生长时，我们甚至不确定其可行性，"拉夫特里解释道，"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极具挑战。但我们成功实现了在电介质材料侧向生长并最终在其顶部完成融合。"

该领域专家预测未来20年内，这类经过改良的新型激光器将应用于自动驾驶车辆、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持续改进现有设计，通过添加电极触点使激光器能连接电流源供电，从而重构相同器件。

"艾琳与闵周·拉里·李（Minjoo Larry Lee）团队成员的协同创新，加之莱特-帕特森空军基地内空军研究实验室的尖端设施与专业知识，共同促成了这项成果的实现，"乔奎特强调，"我们期待实现二极管PCSEL的运作。"

肯特·乔奎特现任伊利诺伊大学格兰杰工程学院电气与计算机工程教授，同时隶属于霍洛尼亚克微纳技术实验室，并担任亚伯·布利斯（Abel Bliss）工程讲席教授。

闵周·拉里·李现任伊利诺伊大学格兰杰工程学院电气与计算机工程教授，同时担任霍洛尼亚克微纳技术实验室主任，并获任英特尔校友基金特聘教授学者。