通过合并连续体束缚态实现稳健的单模激光器

为什么微小而稳固的激光重要

激光无处不在，从电话网络到传感器和医疗设备。许多系统需要非常小的光源，发出单一、纯净的颜色并在强驱动下保持稳定。然而，缩小激光器通常会使其更脆弱，更容易分裂成多个颜色。这项研究展示了一种在芯片尺度上制造既微小又能顽强保持单一发射的激光器的新方法。

以意想不到的方式束缚光

这项工作围绕一种奇特的光束缚方式，称为连续体束缚态。简单来说，它是一种模式，使光在本有机会逸出的情况下仍被束缚。研究人员在一片平坦的半导体薄片上钻出规则网格的微小气穴来创建这种陷阱。当排列得当时，这种结构允许一种特殊的光场以极低的损耗滞留，非常适合用于激光。挑战在于，在实际器件小而存在缺陷的情况下，如何保持该模式的主导地位。

让多个陷阱表现如一

研究团队没有依赖单一光学陷阱，而是通过调节孔径使若干这种特殊态在光场中合并。在理论上，这种合并大幅提高了器件对光的束缚能力，从而降低了启动激光所需的能量。对具有20×20孔网格的芯片进行的实验证明，当接近合并条件时，激光阈值确实降低。对表面出射光及其干涉特性的测量显示了标志性的甜甜圈形光束和涡旋结构，这与该类束缚态的预期相符。

寻找单色输出的最佳点

腔内更强的光也可能助长其他与主模竞争的模式。在真实的有限网格中，允许存在的模式像梯级一样排列，在器件上呈现不同的空间形状。作者发现，最佳行为并不恰好出现在完美合并点，而是在其之前的一个位置。在这一“预合并”设置下，目标模所需的增益远低于最近的竞争模。随着泵浦功率上升，主模持续抢占可用能量，竞争模始终未能完全开启。测试中，当泵浦功率提升到初始阈值的八十倍时，激光仍严格保持单色工作，这是异常宽的工作范围。

在不牺牲质量的前提下缩小激光器

研究团队进一步推进小型化，将器件缩小到仅5×5孔的尺寸，使图案区域比人类发丝的横截面还要小。在此尺度下，光通常会从边缘迅速泄漏。为应对这一问题，研究人员将边缘的孔适度缩小，相较于中心孔做出轻微收缩。这种简单的边缘成形在不增大器件体积的情况下改善了光的束缚。尽管启动激光需要更多功率，这些微小芯片仍能在超过阈值十倍以上的范围内实现单色输出。远场测量再次显示出指示相同底层束缚效应的涡旋特征。

这对未来光子芯片意味着什么

通俗地说，这项研究展示了如何构建非常小的激光器，使其更倾向于只发出一个清晰的音符而不是多个，并能在宽广的驱动功率范围内保持该音符稳定。通过将陷阱设置在理想合并点的前一点并调整芯片边缘，设计者使一种光模式明显胜出，压制其它所有模式。这一策略有望帮助未来的光子芯片在极小的空间内集成多个稳定、高质量的光源，应用于通信、传感和其他基于光的技术领域。

引用: 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

关键词: 单模激光器, 光子晶体, 连续体束缚态, 纳米光子学, 集成光子学