新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)領(lǐng)導(dǎo)的國際科研團(tuán)隊(duì)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(jí)激光器比沙粒更小，采用特殊設(shè)計(jì)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(yùn)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(dòng)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(xué)》(Nature Photonics)上。

激光器的光損耗問題

超緊湊激光器在小型設(shè)備、光計(jì)算、數(shù)據(jù)中心、高速通信、醫(yī)學(xué)成像及先進(jìn)傳感器等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。然而，光損耗問題嚴(yán)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(huì)從側(cè)面逃逸。

輻射損耗：光子晶體結(jié)構(gòu)中的光輻射導(dǎo)致能量損失。

散射損耗：光子晶體的制造缺陷導(dǎo)致光散射，降低效率。

在超緊湊激光器中，這些損耗效應(yīng)尤為顯著，甚至可能導(dǎo)致激光器無法輸出足夠強(qiáng)度的光以供實(shí)際應(yīng)用。

三維抑制光泄漏的創(chuàng)新方案

為解決這一難題，南大團(tuán)隊(duì)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(jī)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(jī)制：通過光波干涉抵消逃逸分量(類似降噪耳機(jī)原理)，實(shí)現(xiàn)三維空間的光束縛。

研究人員設(shè)計(jì)了一種新型激光腔結(jié)構(gòu)，在兩層金膜夾持的半導(dǎo)體光子晶體中，構(gòu)建雛菊形微孔周期性陣列(見圖1)。該設(shè)計(jì)可同步抑制泄漏、散射和輻射損耗，團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)顯微視圖

技術(shù)優(yōu)勢與應(yīng)用前景

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

Wang Qijie教授(南大電機(jī)與電子工程學(xué)院/數(shù)理學(xué)院，研究負(fù)責(zé)人)表示：“基于團(tuán)隊(duì)在光子能帶工程領(lǐng)域15年的積累，我們意識(shí)到平帶與BIC的結(jié)合能高效捕獲光子。這項(xiàng)突破克服了現(xiàn)有微型激光器的缺陷，為可穿戴設(shè)備、光計(jì)算等應(yīng)用開辟了新道路?！?/p>

Cui Jieyuan博士(論文第一作者，南大電機(jī)與電子工程學(xué)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(yīng)用于下一代通信和計(jì)算技術(shù)?！?/p>

美國賓夕法尼亞大學(xué)光子學(xué)專家Bo Zhen副教授(未參與研究)評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)創(chuàng)新是拓?fù)涔庾訉W(xué)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(kuò)展的新型光源?！?/p>

目前，研究團(tuán)隊(duì)正致力于提升激光功率并推進(jìn)光電器件集成，同時(shí)已提交技術(shù)專利，并尋求產(chǎn)業(yè)合作以推動(dòng)商業(yè)化進(jìn)程。

審核編輯 黃宇