來自伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校格蘭杰工程學院的研究團隊，首次實現(xiàn)了室溫條件下眼安全波長的埋入式介電光子晶體表面發(fā)射激光器（PCSEL）光泵浦激射。這項發(fā)表于《IEEE光子學雜志》的研究成果，不僅改進了現(xiàn)有激光器設計，更為國防應用開辟了新途徑。

數(shù)十年來，電子與計算機工程教授Kent Choquette的實驗室一直致力于垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）的研究。該激光器作為表面發(fā)射激光器的一種，已廣泛應用于智能手機、激光打印機、條形碼掃描儀乃至車輛等日常技術領域。然而2020年初，日本研究團隊提出的光子晶體表面發(fā)射激光器（PCSEL）這一突破性成果，引起了Choquette實驗室的濃厚興趣。

作為半導體激光器的新興領域，PCSEL通過光子晶體層產(chǎn)生具有高亮度、窄圓光斑等優(yōu)異特性的激光束。此類激光器在激光雷達（LiDAR）等國防應用領域極具價值——該遙感技術被廣泛應用于戰(zhàn)場測繪、導航及目標追蹤。在美國空軍研究實驗室的資助下，Choquette團隊開始深入探索這一新技術，力求在這個快速發(fā)展的領域取得突破性進展。

Kent Choquette教授

“我們相信光子晶體表面發(fā)射激光器（PCSEL）未來將具有極其重要的地位，”論文第一作者、電子與計算機工程專業(yè)研究生Erin Raftery表示，“但目前該技術尚未達到工業(yè)成熟度，我們希望能為此貢獻力量。”

傳統(tǒng)PCSEL制造通常采用空氣孔結構——當半導體材料在周邊再生時，這些孔洞會被嵌入器件內(nèi)部。然而半導體原子往往會重新排列并填滿這些孔洞，從而破壞光子晶體結構的完整性與均勻性。為解決這一難題，格蘭杰工程學院的工程師們創(chuàng)新性地采用固體介電材料替代空氣孔，有效防止光子晶體在再生過程中變形。通過將二氧化硅作為光子晶體層組成部分嵌入半導體再生區(qū)域，研究團隊首次驗證了埋入式介電結構PCSEL的概念設計。

“首次嘗試介電材料再生時，我們甚至不確定其可行性，”Raftery回憶道，“理想的半導體生長需要從基層開始保持純凈的晶體結構，這對二氧化硅這類非晶態(tài)材料極具挑戰(zhàn)。但我們成功實現(xiàn)了介電材料側向生長并完成頂部晶格融合。”

業(yè)界預期，未來20年內(nèi)這種新型改良激光器將廣泛應用于自動駕駛汽車、激光切割焊接及自由空間通信等領域。當前，伊利諾伊大學的研究團隊正致力于改進現(xiàn)有設計，計劃通過添加電極觸點使激光器可直接接入電源供電。

“這一成果的實現(xiàn)離不開Erin與Minjoo Larry Lee課題組成員的專業(yè)協(xié)作，以及賴特-帕特森空軍基地空軍研究實驗室的設施支持，”Choquette教授表示，“我們期待實現(xiàn)二極管PCSEL的正式運行。”