伊利諾伊大學(xué)的工程師們通過(guò)在光子晶體層中嵌入二氧化硅，開(kāi)發(fā)出了首款室溫工作、人眼安全的光泵浦光子晶體表面發(fā)射激光器（PCSEL），解決了由特殊空氣孔帶來(lái)的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。

光子晶體表面發(fā)射激光器（PCSEL）是一項(xiàng)前景廣闊的技術(shù)，有望徹底革新激光器的能力。這種系統(tǒng)能產(chǎn)生高度定向、高亮度且具有針尖級(jí)精度的光束，使其成為激光雷達(dá)（LiDAR）、光通信以及用于自動(dòng)駕駛汽車和國(guó)防設(shè)備的傳感系統(tǒng)等應(yīng)用的理想選擇。

然而，盡管潛力巨大，PCSEL的開(kāi)發(fā)卻一直困難重重。問(wèn)題的核心在于其設(shè)計(jì)依賴于特殊的空氣孔，而這些氣孔在形成后不久就會(huì)消失。

如今，伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（UIUC）的工程師們克服了這個(gè)存在已久的障礙。他們提出，不再使用空氣孔，而是在光子晶體層中嵌入二氧化硅。科學(xué)家們表示，這一改變使他們成功利用嵌入式介質(zhì)結(jié)構(gòu)，首次在室溫下實(shí)現(xiàn)了人眼安全的光泵浦PCSEL演示。

以固態(tài)創(chuàng)新替代脆弱氣孔

傳統(tǒng)上，PCSEL是在其光子晶體層中制造空氣孔，這有助于控制光在器件內(nèi)部的傳播。然而，當(dāng)科學(xué)家們?cè)噲D在這些孔洞周圍生長(zhǎng)半導(dǎo)體材料（這是完成激光器制造的必要步驟）時(shí)，原子會(huì)發(fā)生位移并填滿氣孔。這種形變破壞了光子晶體的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致激光器無(wú)法正常工作。

為解決此問(wèn)題，該研究的作者們用二氧化硅（一種固態(tài)穩(wěn)定的介電材料）填充了光子晶體層。這一改變賦予了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止其在再生長(zhǎng)過(guò)程中坍塌。

然而，該解決方案帶來(lái)了一個(gè)新問(wèn)題。二氧化硅是非晶態(tài)的，意味著它沒(méi)有晶體結(jié)構(gòu)，在這種材料上生長(zhǎng)半導(dǎo)體通常極其困難。

“我們第一次嘗試再生長(zhǎng)介質(zhì)時(shí)，甚至不知道這是否可行。理想情況下，為了半導(dǎo)體生長(zhǎng)，你希望從基底開(kāi)始一直保持非常純凈的晶體結(jié)構(gòu)，這在像二氧化硅這樣的非晶材料上很難實(shí)現(xiàn)，”研究負(fù)責(zé)人、UIUC工程專業(yè)學(xué)生艾琳·拉夫特里（Erin Raftery）說(shuō)道。

為使激光器工作，上方的半導(dǎo)體層必須保持平滑、連續(xù)的晶體結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)起初不確定是否可行，但通過(guò)精心控制條件，工程師們成功地在介質(zhì)周圍橫向生長(zhǎng)了半導(dǎo)體，然后通過(guò)一種稱為“融合生長(zhǎng)”（coalescence）的工藝，使材料在頂部合并。

其結(jié)果是一款嵌入式介質(zhì)PCSEL，它能在光激發(fā)下發(fā)射激光束，甚至在室溫下也能工作，并且發(fā)射的是對(duì)人眼安全的波長(zhǎng) —— 這是前所未有的成就。

下一步：實(shí)現(xiàn)電泵浦

這一概念驗(yàn)證為新一代表面發(fā)射激光器奠定了基礎(chǔ)，它們將比現(xiàn)有技術(shù)更精確、更穩(wěn)定、且更具可擴(kuò)展性。PCSEL將產(chǎn)生高亮度、窄而圓的光束，使其成為從通信應(yīng)用到高科技武器等廣泛領(lǐng)域的理想選擇。

使用固態(tài)介電材料還簡(jiǎn)化了制造工藝并提高了器件耐久性。然而，這第一個(gè)版本仍然需要外部光（光泵浦）來(lái)驅(qū)動(dòng)激光器，這限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)用性。

為使其真正可用，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)添加電極觸點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)電泵浦版本，使激光器能夠使用標(biāo)準(zhǔn)電源運(yùn)行。

該研究發(fā)表在《IEEE 光子學(xué)雜志》上。

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