南洋理工开发新型超紧凑型激光器：光损耗更低

新加坡南洋理工大学（NTU）领导的国际科研团队成功开发出一种新型超紧凑激光器，其能效更高、功耗更低。这种微米级激光器比沙粒更小，采用特殊设计大幅减少光泄漏问题，相比其他超紧凑激光器，其光损耗更低，运行能耗显著减少。

该激光器工作于太赫兹频段（30微米至3毫米），覆盖6G通信频率，有望推动未来高速无线通信技术的发展。相关研究成果发表在《自然·光子学》（Nature Photonics）上。

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来自新加坡南洋理工大学物理与数学科学学院的Wang Qijie教授（左）和新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院的Cui Jieyuan博士。

激光器的光损耗问题

超紧凑激光器在小型设备、光计算、数据中心、高速通信、医学成像及先进传感器等领域具有广泛应用前景。然而，光损耗问题严重限制了微型激光器的性能，主要表现为：

激光腔侧向泄漏：激光腔用于约束和放大光束，但部分光会从侧面逃逸。

辐射损耗：光子晶体结构中的光辐射导致能量损失。

散射损耗：光子晶体的制造缺陷导致光散射，降低效率。

在超紧凑激光器中，这些损耗效应尤为显著，甚至可能导致激光器无法输出足够强度的光以供实际应用。

三维抑制光泄漏的创新方案

为解决这一难题，南大团队结合平带（flat bands）和多束缚态连续区（multi-BIC）两大物理机制：

平带结构：光子晶体中特定能带的光波群速度趋近于零，使光能量无法逃逸激光腔。

多BIC机制：通过光波干涉抵消逃逸分量（类似降噪耳机原理），实现三维空间的光束缚。

研究人员设计了一种新型激光腔结构，在两层金膜夹持的半导体光子晶体中，构建雏菊形微孔周期性阵列（见图1）。该设计可同步抑制泄漏、散射和辐射损耗，团队称其为“三维光泄漏抑制的终极解决方案”。

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左图：激光腔芯片；中图：雏菊形气孔阵列有效降低光损耗；右图：微孔结构显微视图

技术优势与应用前景

该激光器还具有光束发散角极小的特点，适用于精密光学领域。通过调整气孔尺寸和光子晶体晶格常数，该设计还可拓展至近红外及可见光波段。

Wang Qijie教授（南大电机与电子工程学院/数理学院，研究负责人）表示：“基于团队在光子能带工程领域15年的积累，我们意识到平带与BIC的结合能高效捕获光子。这项突破克服了现有微型激光器的缺陷，为可穿戴设备、光计算等应用开辟了新道路。”

Cui Jieyuan博士（论文第一作者，南大电机与电子工程学院）指出：“我们的激光器解决了微型激光器的关键瓶颈，未来可广泛应用于下一代通信和计算技术。”

美国宾夕法尼亚大学光子学专家Bo Zhen副教授（未参与研究）评价：“这项创新是拓扑光子学领域的重大突破，为集成光子系统提供了紧凑、稳定且可扩展的新型光源。”

目前，研究团队正致力于提升激光功率并推进光电器件集成，同时已提交技术专利，并寻求产业合作以推动商业化进程。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41566-025-01665-6