通过在半导体内嵌入微小的介电结构，研究人员创造出一种能够以全新方式控制光的激光器。

激光器并非总需要完美重复的图案才能产生干净的光束。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的研究人员展示了一种半导体激光器，它有意打破这一惯例，用准周期结构取代了光子晶体表面发射激光器（PCSEL）的规则结构。该器件在室温下实现了1.5微米波长的单模激光发射，表明非重复图案可以被构建到激光器中，同时保持对光的精确控制。

“我们展示了在室温下从埋入式介电准周期光子晶体表面发射激光器（QPCSEL）实现光泵浦激光发射，发射波长为1.5微米，”研究人员在研究中指出。这种方法可能为工程师在设计用于传感、通信、航空航天和国防等领域的激光器时提供更大的自由度。

打破重复模式

PCSEL使用光子晶体——一种精心设计的图案，用于控制光在半导体中的传播方式。与传统激光器不同，这种光学结构可以将光相互作用扩展到大面积区域，并将部分光通过表面导出。这种设计可以产生狭窄、可控的光束和单模发射，这些特性在激光必须精确传输光而非以多种相互竞争的光学模式输出时非常有用。

在过去二十年中，PCSEL在先进半导体激光应用领域引起了广泛关注，包括航空航天和国防系统。然而，其几何结构本身也是一种限制。传统PCSEL通常依赖于重复图案，而改变这些特征的形状或间距会使制造变得困难。微小的结构在半导体再生长过程中也可能发生变形，使得精确复现所设计的几何形状更加困难。

伊利诺伊团队此前开发了一种埋入式介电平台来解决这一问题。研究人员没有将孔直接刻蚀到半导体中，而是先图案化一层二氧化硅，然后用外延半导体将其覆盖。因此，介电特征被埋入器件内部，有助于在制造过程中保持其形状。

从周期到准周期

研究作者希望进一步推进这一想法，测试光子晶体图案本身是否可以做成非周期性的。他们从非重复的、受拓扑保护的图案中汲取灵感，创造了一种准周期结构。该结构并非以严格重复的间隔放置相同的特征，而是以可控的方式变化。

研究人员使用微小的低折射率二氧化硅特征，周围环绕高折射率半导体材料，来创建准光子晶体层。由于介电图案是嵌入的而非暴露在外，半导体再生长过程可以保留更复杂的几何结构。

最终器件采用光泵浦方式，即外部光源提供激光发射所需的能量。在室温下，该器件以1.5微米波长发射，并展示了单模工作。这一点意义重大，因为它表明准周期光子晶体可以产生通常与更严格的周期设计相关的可控激光发射。

“我们已经证明了我们可以拥有非周期图案，并且有更大的灵活性来调节它。这是一种不同的工程折射率变化方式，从而从我们的激光器获得我们想要的特性，”研究作者之一、UIUC博士生Erin Raftery说道。

更灵活的激光平台

目前的器件仍然只是概念验证，其性能尚未证明在各方面都优于传统PCSEL。它采用的是光泵浦而非电注入，因此还不是实用的二极管激光器。

尽管如此，埋入式介电方法可以允许在同一衬底上制造不同的光子晶体图案，为工程师优化不同用途的激光器提供更大自由度。这种灵活性可能与从硅光子激光雷达到其他紧凑型光学系统的各种技术相关。

“目前，你一次只能生长一种结构，而我们可以在同一衬底上混合搭配。这可能使我们能够制造更可靠、性能更好的激光器，”研究作者之一、UIUC工程学教授Kent Choquette说道。

该团队的下一个目标是电注入器件，这将使该技术更接近实际应用。“我们已经证明了物理原理。现在我们需要证明一个实用的器件，”Choquette补充道。

该研究发表在《应用物理快报》（Applied Physics Letters）期刊上。

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