准周期光子晶体面激光器实现室温发射

传统光子晶体面发射激光器（PCSEL）通常依靠周期性排列的光子晶体图案调控激光，但固定的排列方式也给器件设计带来限制。美国伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校研究人员改变了思路，不再让光子晶体整齐地重复排列，而是引入准周期结构，并将其嵌入半导体内部。实验显示，这种新型准周期光子晶体面发射激光器（QPCSEL）能在室温下发射激光，为开发更加灵活、性能更加稳定的半导体激光器提供了新思路。相关研究发表于最新一期《应用物理快报》杂志。

PCSEL是一种先进的半导体激光器，过去20年来一直受到关注，并在国防、航空航天等领域展现出应用潜力。研究人员一直在探索如何通过设计光子晶体的形状、大小和排列方式，以进一步提升这类激光器的性能。然而，传统PCSEL中的光子晶体通常按照固定周期重复排列。研究人员可以针对某一种需求优化图案，但要改变器件的光学特性，往往需要重新设计和制造一套不同几何结构的光子晶体。

此次研究中，研究人员借鉴了其他领域非重复、具有拓扑保护特征的图案设计方法，将其引入团队此前开发的“埋置式介电层”制造平台。传统光子晶体通常需要在半导体材料中刻蚀出微小孔洞，而此次研究采取了不同路线。他们先对二氧化硅层进行刻蚀，形成所需图案，再在其上外延生长半导体材料，将二氧化硅图案“埋”进器件内部。

这样一来，原本规则重复的光子晶体变成了准周期结构，同时被嵌入半导体内部。实验结果显示，这种结构能够在室温下实现激光发射。

研究人员表示，目前这一平台的主要优势在于埋置式介电光子晶体图案具有较高的灵活性和均匀性。光子晶体并不一定非要按照一种固定方式排列，研究人员可以更加自由地设计图案，通过改变器件内部的折射率分布来获得所需要的激光特性。研究团队表示，传统制造方式通常一次只能生成一种结构，而新的平台有望在同一块衬底上组合不同结构，从而制造出更加可靠、性能更好的激光器。

研究人员下一步将着手开发更具实用性的半导体激光器，并希望未来实现采用电注入方式工作的二极管激光器。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1063/5.0325678