Towards Single-Mode Continuous-Wave InP Based Photonic-Crystal Surface-Emitting Lasers at 2 µm

光是观察世界的一种强大工具，但并非所有的光都是等同的。几十年来，科学家们一直致力于研发能够发射特定颜色（或波长）光束的激光器，以执行从读取条形码到引导自动驾驶汽车等各种任务。大多数常见的激光器工作在近红外范围内，这是一个处于人眼可见光之外的波段。然而，在两微米到两微米半之间存在着一个不同的光谱区域，它具有独特的优势。这个被称为扩展短波红外（extended shortwave infrared）的范围可以以卓越的清晰度穿透大气层，使其成为远程传感和通信的理想选择。至关重要的是，这种特定颜色的光对人眼也是安全的，因为人眼的内部液体会在光线到达敏感视网膜之前将其吸收。为了利用这些优势，研究人员需要不仅功率强大，而且能发射单一、纯净颜色光且不会扩散成弥散光束的激光器。

来自俄亥俄州立大学的一个研究小组，与来自美国空军研究实验室及国家实验室的同事合作，在创造这些专用激光器方面迈出了重要一步。他们的工作专注于一种名为光子晶体面发射激光器（photonic-crystal surface-emitting laser）的新型激光设计。与那些通常以侧向或顶端射出导致产生宽阔发散光束的传统激光器不同，这些设备使用蚀刻在半导体材料上的微观孔洞网格。该网格就像一面镜子，迫使光线沿单一方向传播并从表面垂直向上发射，从而产生紧凑、高质量的光束。虽然类似的设备已在较短波长领域被制造出来，但研究人员将目标瞄准了难度较大的两微米范围。他们选择使用一种称为磷化铟（indium phosphide）的材料来制造这些激光器，这一选择要求他们证明该材料的表现能够达到甚至超过此前尝试中使用的更常见的锑化镓（gallium antimonide）材料。

旅程始于对两种材料选项的仔细比较。研究人员使用先进的计算机模型来模拟光在由磷化铟或锑化镓制成的激光器内部的行为。他们发现，虽然锑化镓在低功率水平下产生的光稍强，但当激光被进一步推高时，磷化铟展现出了明显的优势。随着电流增加，磷化��也的设计能够保持对目标两微米波长的聚焦，而另一种材料的颜色则开始发生偏移。此外，研究人员还进行了单独的模拟，以计算热量如何在激光器的各层之间移动。他们发现，尽管由于磷化铟包层具有 68 W/(m·K) 的热导率（而锑化镓为 32 W/(m·K)），磷化铟结构在内部层中的导热效率高于其竞争对手，但设备的整体温升主要由封装和激光器安装的界面决定，而非半导体层本身。因此，在高温负载下，锑化镓器件的结温略高，差值高达 7.9°C，但对于两种平台而言，热管理挑战主要取决于安装界面，而非材料本身的特性。

在确定了材料选择后，团队转向了激光器的物理设计。他们在薄层半导体上创建了一个排列成正方形网格的微观空气孔图案。这些孔洞的大小和间距经过计算，以与两微米处的波长产生共振。制造此类设备的一个关键挑战是在蚀刻出的孔洞上重新生长半导体材料的过程。如果材料不能完美填充孔洞，激光器的性能就会受损。研究人员模拟了两种情景：一种是孔洞被完美的垂直壁填充，另一种是孔壁略微倾斜，呈现出类似倒置泪滴的形状，这也是实际制造过程中发生的情况。他们的模拟显示，即使在这些具有现实感的、略微倾斜的孔壁条件下，激光器仍能正常工作，因为光会自动选择最强、最稳定的模式进行发射。这使他们确信该设计对于实际制造而言具有足够的鲁棒性。

为了证明其设计的有效性，团队使用与最终面发射器件相同的磷化铟材料和活性区，制造并测试了标准的边发射激光器。这些测试激光器并非最终产品，而是作为关键的概念验证。通电后，这些设备成功地发射了波长为 2061 纳米的光，证实了该材料确实可以产生所需的颜色。这些激光器能够连续不间断地运行，这是对任何半导体器件的严苛测试。在室温下，它们产生了 42.5 毫瓦的稳定输出功率。随着温度升高，激光器保持稳定，尽管其效率略有下降，这是此类技术的典型行为。团队还测量了激光颜色随温度变化的偏移情况，通过这种可预测的关系，他们得以计算出器件的热阻，即衡量其处理热量能力的一个指标。

这项工作的成果为两微米激光器的未来提供了清晰的路线图。通过证明磷化铟可以支持在该波长下的高功率、连续波运行，研究人员验证了一个比其他替代方案更容易制造且具有优越热特性的材料平台。他们表明，即使存在制造过程中固有的缺陷，通过微观工程手段创建这些面发射激光器也是可行的。虽然团队尚未制造出最终的单模两微米面发射激光器，但通过模拟和初步实验对底层组件进行的成功测试以及对设计的充分验证，表明开发出这种设备已指日可待。这一进展使科学界离拥有能够在极具价值的扩展短波红外光谱中运行的紧凑、强大且对眼睛安全的光源又近了一步。