Устойчивый одномодовый лазер через слияние связанного состояния в непрерывности

Зачем нужны крошечные стабильные лазеры

Лазеры повсюду: в телефонных сетях, сенсорах и медицинских приборах. Многим системам нужны очень маленькие источники света, излучающие на одной чистой длине волны и сохраняющие стабильность даже при высокой нагрузке. Однако при уменьшении размеров лазеры обычно становятся более уязвимыми и склонными к генерации нескольких цветов. В этой работе показан новый подход к созданию чиповых лазеров, которые одновременно малы и устойчиво излучают в одном моде.

Удержание света необычным способом

Работа сосредоточена на любопытном типе ловушки для света, называемом связанным состоянием в непрерывности. Проще говоря, это конфигурация, в которой свет остаётся локализованным, несмотря на все возможности для его утечки. Исследователи создают такую ловушку в плоском полупроводниковом слое с упорядоченной решёткой крошечных воздушных отверстий. При правильной расстановке этот узор позволяет одному особому распределению поля задерживаться с очень малыми потерями, что делает его идеальным для лазерного действия. Задача — сохранить доминирование этой одной картины в реальных устройствах, которые малы и несовершенны.

Объединение многих ловушек в одну

Вместо того чтобы полагаться на единственную ловушку, команда настраивает размеры отверстий так, чтобы несколько таких особых состояний света сливались воедино. На бумаге такое слияние сильно улучшает удержание света в устройстве, снижая мощность, необходимую для начала лазерной генерации. Эксперименты на чипах с решёткой 20 на 20 отверстий подтверждают, что порог лазерной генерации падает по мере приближения к условию слияния. Измерения излучения со поверхности и его интерференции показывают характерное пончиковое пучковое распределение и структуру вихрей, ожидаемые для этого семейства световых состояний.

Поиск оптимума для одноцветного излучения

Большее количество света в резонаторе может также подпитывать другие моды, конкурирующие с основной. В конечной, ограниченной решётке допустимые моды располагаются словно перекладины лестницы, с разными формами по площади устройства. Авторы выяснили, что наилучшее поведение возникает не точно в точке идеального слияния, а чуть до неё. В этом предслиянии желаемому модусу требуется гораздо меньший усил, чем ближайшему конкуренту. По мере роста мощности накачки основной мод продолжает забирать доступную энергию, и конкурирующий мод никогда полностью не включается. В тестах лазер остаётся строго одномодовым даже при увеличении накачки до восьмидесяти раз выше начального порога — что является необычно широким рабочим диапазоном.

Уменьшение лазера без потери качества

Далее команда продвинулась в миниатюризации, создав устройства всего 5 на 5 отверстий, так что структура меньше поперечного сечения человеческого волоса. На этом масштабе свет обычно быстро утекал бы через края. Чтобы бороться с этим, исследователи слегка уменьшили размеры крайних отверстий по сравнению с центральными. Такое простое формирование краёв улучшает запирание света без увеличения размера устройства. Хотя для запуска лазерной генерации требуется больше мощности, эти крошечные чипы по‑прежнему обеспечивают одноцветное излучение при мощностях, превышающих порог более чем в десять раз. Измерения в дальней зоне снова демонстрируют вихревые особенности, указывающие на тот же принцип удержания света.

Значение для будущих фотонных чипов

Проще говоря, исследование показывает, как строить очень маленькие лазеры, которые предпочитают «петь» одну чистую ноту вместо множества и сохраняют эту ноту при широком диапазоне возбуждения. Тщательно настроив ловушку чуть до идеального состояния слияния и подправив края чипа, разработчики заставляют одно световое распределение решительно побеждать все остальные. Такая стратегия может помочь в создании будущих фотонных чипов с множеством стабильных, высококачественных источников света в компактном пространстве для связи, сенсоров и других оптических технологий.

Цитирование: Peng, K., Moon, J., Meng, Y. et al. Robust single-mode laser via merging bound state in the continuum. Light Sci Appl 15, 255 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02355-w

Ключевые слова: одномодовый лазер, фотонный кристалл, связанное состояние в непрерывности, нанофотоника, интегрированная фотоника