新加坡南洋理工大學(NTU)領導的國際科研團隊成功開發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的發展。相關研究成果發表在《自然·光子學》(Nature Photonics)上。

激光器的光損耗問題

超緊湊激光器在小型設備、光計算、數據中心、高速通信、醫學成像及先進傳感器等領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，主要表現為：

激光腔側向泄漏：激光腔用于約束和放大光束，但部分光會從側面逃逸。

輻射損耗：光子晶體結構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新方案

為解決這一難題，南大團隊結合平帶(flat bands)和多束縛態連續區(multi-BIC)兩大物理機制：

平帶結構：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)，實現三維空間的光束縛。

研究人員設計了一種新型激光腔結構，在兩層金膜夾持的半導體光子晶體中，構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”。

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：微孔結構顯微視圖

技術優勢與應用前景

該激光器還具有光束發散角極小的特點，適用于精密光學領域。通過調整氣孔尺寸和光子晶體晶格常數，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/數理學院，研究負責人)表示：“基于團隊在光子能帶工程領域15年的積累，我們意識到平帶與BIC的結合能高效捕獲光子。這項突破克服了現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鍵瓶頸，未來可廣泛應用于下一代通信和計算技術。”

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：“這項創新是拓撲光子學領域的重大突破，為集成光子系統提供了緊湊、穩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，同時已提交技術專利，并尋求產業合作以推動商業化進程。

審核編輯 黃宇