Учёные создали сверхкомпактный лазер с минимальными потерями света

Чип с шестиугольными лазерными резонаторами. Автор: NTU Singapore

Международная команда учёных под руководством Наньянского технологического университета (Сингапур) разработала новый тип сверхкомпактного лазера, который отличается повышенной энергоэффективностью и потребляет меньше энергии.

Размером меньше песчинки, микрометровый лазер использует специальную конструкцию, уменьшающую утечку света. Минимизация потерь означает, что для работы такого лазера требуется меньше энергии по сравнению с другими компактными лазерами.

Лазер излучает свет в терагерцовом диапазоне (30 мкм — 3 мм), что соответствует частотам связи 6G, и может стать основой для высокоскоростной беспроводной связи будущего.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Photonics.

Почему лазеры теряют свет

Сверхкомпактные лазеры находят применение в различных отраслях, особенно в миниатюрных устройствах. Они также критически важны для технологий будущего, таких как оптические вычисления, дата-центры, высокоскоростная связь, медицинская визуализация и продвинутые сенсоры.

Однако производительность таких миниатюрных лазеров ограничивается потерями света.

Часть потерь происходит из-за боковой утечки из лазерного резонатора — ключевого компонента, который удерживает и усиливает свет для создания лазерного луча.

Свет также теряется из-за рассеивания, вызванного несовершенствами фотонного кристалла, созданного из полупроводниковых материалов для управления распространением света.

Эти эффекты более выражены в сверхкомпактных лазерах, чем в более крупных. В некоторых случаях потери настолько велики, что миниатюрные лазеры перестают работать корректно.

Периодическое расположение отверстий в форме ромашки в резонаторе снижает потери света. Автор: NTU Singapore

Снижение потерь света во всех направлениях

Чтобы предотвратить потери, новый лазер NTU использует «плоские зоны» и явление, известное как «многократные связанные состояния в континууме» (BIC).

Плоские зоны — это энергетические зоны в фотонном кристалле, где световые волны имеют почти нулевую групповую скорость — показатель того, насколько быстро передаётся энергия света. При почти нулевой групповой скорости энергия световых волн остаётся ограниченной в горизонтальной плоскости резонатора.

С другой стороны, многократные BIC уменьшают потери света в вертикальном направлении, сохраняя при этом достаточную интенсивность излучения для практического использования. Как и в шумоподавляющих наушниках, определённые волновые паттерны в свете компенсируют части, которые обычно бы ушли. Конструкция резонатора также эффективно минимизирует потери оптических сигналов.

Для снижения потерь из-за утечки и рассеивания исследователи разработали резонатор, сочетающий концепции плоских зон и многократных BIC.

Они создали периодическое расположение отверстий в форме ромашки в фотонном кристалле, состоящем из полупроводникового материала, зажатого между двумя золотыми слоями.

По словам учёных, это может стать «идеальным» решением для подавления утечки света из лазерного резонатора в трёх измерениях.

Крупный план отверстий. Автор: NTU Singapore

Лазер также создаёт высокофокусированный луч с минимальным расхождением, что делает его полезным для оптоэлектронных применений.

Изменяя размер отверстий и постоянную решётки — расстояние между атомами в фотонном кристалле — можно адаптировать конструкцию для создания лазеров, излучающих другие длины волн, например, ближний инфракрасный и видимый свет.

«Опираясь на наш пятнадцатилетний опыт в проектировании фотонных зонных структур, мы поняли, что сочетание концепций плоских зон и BIC может эффективно удерживать свет и снижать потери», — говорит профессор Ван Цицзе из Школы электротехники и электроники (EEE) и Школы физико-математических наук NTU, руководивший исследованием.

«Наш лазер преодолевает недостатки существующих миниатюрных лазеров, открывая двери для применений — от носимых технологий следующего поколения до оптических вычислений», — добавляет доктор Цуй Цзеюань, научный сотрудник NTU EEE, первый автор статьи.

«Это прорыв в топологической фотонике и новый путь для создания компактных, надёжных и масштабируемых источников света в интегрированных фотонных системах», — отмечает эксперт по фотонике доцент Чжэнь Бо из Университета Пенсильвании, не участвовавший в исследовании.

Сейчас учёные работают над увеличением мощности лазера и его интеграцией в оптоэлектронные устройства. Они также подали заявку на патент и ищут промышленных партнёров для вывода технологии на рынок.

Дополнительная информация: Jieyuan Cui et al, Ultracompact multibound-state-assisted flat-band lasers, Nature Photonics (2025). DOI: 10.1038/s41566-025-01665-6

Источник: Nanyang Technological University