首创晶体激光器或能驱动更安全的传感器与更智能的设备

数十年来，电气与计算机工程教授肯特·乔奎特的实验室一直致力于研究VCSELs（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、条形码扫描仪乃至车辆等常见技术领域。但在2020年初，该实验室开始关注日本研究团队突破性的科研成果——他们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，其利用光子晶体层产生具有高亮度和窄圆形光斑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、导航和目标跟踪的激光雷达（LiDAR）遥感技术。在美国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，并在这一蓬勃发展的领域取得自主突破。

"我们坚信PCSELs在未来将具有极其重要的地位，"论文第一作者、电气与计算机工程研究生艾琳·拉夫特里表示，"该技术目前尚未达到工业成熟阶段，而我们希望为此做出贡献。"

传统PCSELs通常采用气孔结构制造——当半导体材料沿周边再生长后，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采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嵌入式介电特征结构的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，"拉夫特里解释道，"理想状态下，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。但我们成功实现了介电材料侧向生长并在其顶部完成融合。"

该领域学者预测，未来20年内这些改良型新型激光器将应用于自动驾驶汽车、激光切割、焊接及自由空间光通信领域。与此同时，伊利诺伊大学的研究团队将持续改进现有设计，通过加装电极触点使激光器能连接电流源供电，实现器件的功能复现。

"艾琳与闵周·拉里·李团队成员的协同创新，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，共同促成了这项成果，"乔奎特强调，"我们期待实现二极管型PCSELs的运作。"

肯特·乔奎特任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，并担任艾贝尔·布利斯工程教授讲席。

闵周·拉里·李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，系英特尔校友捐赠教席学者。