伊利诺伊大学实现室温运行介电PCSEL激光器

来自伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院的研究团队，首次实现了室温条件下眼安全波长的埋入式介电光子晶体表面发射激光器（PCSEL）光泵浦激射。这项发表于《IEEE光子学杂志》的研究成果，不仅改进了现有激光器设计，更为国防应用开辟了新途径。

数十年来，电子与计算机工程教授Kent Choquette的实验室一直致力于垂直腔面发射激光器（VCSEL）的研究。该激光器作为表面发射激光器的一种，已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日常技术领域。然而2020年初，日本研究团队提出的光子晶体表面发射激光器（PCSEL）这一突破性成果，引起了Choquette实验室的浓厚兴趣。

作为半导体激光器的新兴领域，PCSEL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。此类激光器在激光雷达（LiDAR）等国防应用领域极具价值——该遥感技术被广泛应用于战场测绘、导航及目标追踪。在美国空军研究实验室的资助下，Choquette团队开始深入探索这一新技术，力求在这个快速发展的领域取得突破性进展。

Kent Choquette教授

“我们相信光子晶体表面发射激光器（PCSEL）未来将具有极其重要的地位，”论文第一作者、电子与计算机工程专业研究生Erin Raftery表示，“但目前该技术尚未达到工业成熟度，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——当半导体材料在周边再生时，这些孔洞会被嵌入器件内部。然而半导体原子往往会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，格兰杰工程学院的工程师们创新性地采用固体介电材料替代空气孔，有效防止光子晶体在再生过程中变形。通过将二氧化硅作为光子晶体层组成部分嵌入半导体再生区域，研究团队首次验证了埋入式介电结构PCSEL的概念设计。

“首次尝试介电材料再生时，我们甚至不确定其可行性，”Raftery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态材料极具挑战。但我们成功实现了介电材料侧向生长并完成顶部晶格融合。”

业界预期，未来20年内这种新型改良激光器将广泛应用于自动驾驶汽车、激光切割焊接及自由空间通信等领域。当前，伊利诺伊大学的研究团队正致力于改进现有设计，计划通过添加电极触点使激光器可直接接入电源供电。

“这一成果的实现离不开Erin与Minjoo Larry Lee课题组成员的专业协作，以及赖特-帕特森空军基地空军研究实验室的设施支持，”Choquette教授表示，“我们期待实现二极管PCSEL的正式运行。”