新加坡南洋理工大學（NTU）領(lǐng)導的國際科研團隊成功開發(fā)出一種新型超緊湊激光器，其能效更高、功耗更低。這種微米級激光器比沙粒更小，采用特殊設計大幅減少光泄漏問題，相比其他超緊湊激光器，其光損耗更低，運行能耗顯著減少。

該激光器工作于太赫茲頻段（30微米至3毫米），覆蓋6G通信頻率，有望推動未來高速無線通信技術(shù)的發(fā)展。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·光子學》（Nature Photonics）上。

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來自新加坡南洋理工大學物理與數(shù)學科學學院的Wang Qijie教授（左）和新加坡南洋理工大學電氣與電子工程學院的Cui Jieyuan博士。

激光器的光損耗問題

超緊湊激光器在小型設備、光計算、數(shù)據(jù)中心、高速通信、醫(yī)學成像及先進傳感器等領(lǐng)域具有廣泛應用前景。然而，光損耗問題嚴重限制了微型激光器的性能，主要表現(xiàn)為：

激光腔側(cè)向泄漏：激光腔用于約束和放大光束，但部分光會從側(cè)面逃逸。

輻射損耗：光子晶體結(jié)構(gòu)中的光輻射導致能量損失。

散射損耗：光子晶體的制造缺陷導致光散射，降低效率。

在超緊湊激光器中，這些損耗效應尤為顯著，甚至可能導致激光器無法輸出足夠強度的光以供實際應用。

三維抑制光泄漏的創(chuàng)新方案

為解決這一難題，南大團隊結(jié)合平帶（flat bands）和多束縛態(tài)連續(xù)區(qū)（multi-BIC）兩大物理機制：

平帶結(jié)構(gòu)：光子晶體中特定能帶的光波群速度趨近于零，使光能量無法逃逸激光腔。

多BIC機制：通過光波干涉抵消逃逸分量（類似降噪耳機原理），實現(xiàn)三維空間的光束縛。

研究人員設計了一種新型激光腔結(jié)構(gòu)，在兩層金膜夾持的半導體光子晶體中，構(gòu)建雛菊形微孔周期性陣列（見圖1）。該設計可同步抑制泄漏、散射和輻射損耗，團隊稱其為“三維光泄漏抑制的終極解決方案”。

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左圖：激光腔芯片；中圖：雛菊形氣孔陣列有效降低光損耗；右圖：微孔結(jié)構(gòu)顯微視圖

技術(shù)優(yōu)勢與應用前景

該激光器還具有光束發(fā)散角極小的特點，適用于精密光學領(lǐng)域。通過調(diào)整氣孔尺寸和光子晶體晶格常數(shù)，該設計還可拓展至近紅外及可見光波段。

Wang Qijie教授（南大電機與電子工程學院/數(shù)理學院，研究負責人）表示：“基于團隊在光子能帶工程領(lǐng)域15年的積累，我們意識到平帶與BIC的結(jié)合能高效捕獲光子。這項突破克服了現(xiàn)有微型激光器的缺陷，為可穿戴設備、光計算等應用開辟了新道路。”

Cui Jieyuan博士（論文第一作者，南大電機與電子工程學院）指出：“我們的激光器解決了微型激光器的關(guān)鍵瓶頸，未來可廣泛應用于下一代通信和計算技術(shù)。”

美國賓夕法尼亞大學光子學專家Bo Zhen副教授（未參與研究）評價：“這項創(chuàng)新是拓撲光子學領(lǐng)域的重大突破，為集成光子系統(tǒng)提供了緊湊、穩(wěn)定且可擴展的新型光源。”

目前，研究團隊正致力于提升激光功率并推進光電器件集成，同時已提交技術(shù)專利，并尋求產(chǎn)業(yè)合作以推動商業(yè)化進程。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-025-01665-6