纳米光子激光器实现“无扰动”电注入，有望催生新一代紧凑、高能效的光子技术

加州大学伯克利分校与劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究团队在纳米光子学领域取得突破，开发出一种全新的供电方式，可利用电能驱动纳米尺度发光器件，同时保留其高效运行所需的精细光学特性。此外，研究人员还开发了一种单片制造工艺，能够以满足激光器工作要求的一致性，一次性制备数百个纳米柱电接触结构。

这项工作解决了纳米光子学领域长期存在的一项难题：器件运行所需的电连接结构，往往会破坏使器件具备实用价值的光约束纳米结构。

据《自然·纳米技术》期刊报道，研究人员通过引入一种将电注入与光约束相解耦的器件架构，解决了这一问题。该架构能够将电流输送至所需位置，同时基本不扰动导引和约束光场的结构。

“这一突破有望推动新一代紧凑型、高能效光子技术的发展。”项目负责人、加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学教授、伯克利实验室研究员 Boubacar Kanté 表示，“更广泛地说，我们提出的方法——我称之为‘正交光电子学’——使电流路径与光学模式能够相互独立地进行设计，从而在不牺牲另一方性能的前提下，分别对两者进行优化。”

优异光学性能与高效电注入之间的矛盾

在这项研究中，研究人员希望找到一种更优的方法，对纳米光子激光器中的扩展光学模式进行电泵浦。这类器件利用尺寸小于光波长的结构，控制光的产生、约束和发射，是实现紧凑、高效且高度可控光源的关键，有望对众多应用产生重要影响。

然而，性能优异的纳米光子器件通常需要较高的折射率反差。论文共同第一作者、Kanté 实验室前研究生 Emma Martin（电子工程与计算机科学博士，2025届）表示，这始终是一项重要挑战。

她解释说，较高的折射率反差使器件能够对光进行强约束和精确控制。但要通过电流驱动此类器件，通常需要加入导电材料或电流通路，而这些附加材料可能会扰动原有光学设计、降低折射率反差，并使器件性能下降。

“简单来说，我们试图解决的是‘优异光学性能’与‘高效电注入’之间的冲突。”Martin 表示，“我们希望构建一种可由电流驱动、同时又不会破坏器件赖以工作的光学谐振腔的结构。”

“我们的目标是展示一种电泵浦纳米光子激光器，使电流能够覆盖扩展光学模式，同时保留悬空式高折射率反差光子晶体结构所具备的光学优势。”

纳米柱结构带来解决方案

为了同时实现优异的光学性能与高效的电注入，研究人员开发了一种新的器件结构，使电流能够注入光约束结构，而不会对其中的光场造成明显干扰。

论文共同第一作者、加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系博士生 Md Ishfak Tahmid 表示，其中的“诀窍”是使用纳米柱阵列支撑器件，并将这些纳米柱精确布置在光场电磁场强自然降为零的位置。

这样一来，纳米柱既可用于导电，又几乎不会被光场“感知”，相当于对光保持不可见。

Tahmid 表示：“借助这一设计，我们在室温条件下实现了电泵浦激光发射，其工作波长位于光纤通信所使用的波段。”

“这是首次在保持底层光子结构光学特性的同时，将电流均匀输送至数百个微小单元。”

Tahmid 还指出，纳米柱或其他电流通路也可以有选择地布置，以激发特定的光学模式。

“这可能推动高度可控的电驱动激光器、集成光子电路以及量子光子学器件的发展。”他说。

通过纳米制造控制实现均匀电注入

研究人员不仅证明了能够在保持扩展纳米光子激光模式光学特性的同时，对其进行电流注入，还得到了一项出乎意料的发现：限制器件性能的主要因素并非光学设计，而是电流通路的一致性。

研究人员观察到，即使纳米柱尺寸存在一定偏差，光学模式依然表现出较强的稳定性。然而，纳米柱尺寸的微小变化却可能显著影响电流在整个器件中的均匀注入程度。

Kanté 表示：“这表明，当电流通过大量纳米尺度接触点分布式注入时，制造工艺的一致性将变得极为关键。”

“这一发现十分重要，因为它揭示了电注入纳米光子器件的一种全新设计范式。这也意味着，未来器件需要对光学、电学、热流管理和纳米制造进行紧密的协同设计。”

展望未来，这项技术可应用于多种需要紧凑、可控光源的领域，包括光通信、人工智能数据中心、传感、成像、激光雷达、片上光子系统以及量子技术。

Kanté 表示：“我们的工作提供了一种利用电信号控制纳米尺度光学态的方法，同时不会对这些光学态造成强烈扰动。这是许多先进光子技术的一项关键要求。”

除 Kanté、Martin 和 Tahmid 外，论文共同作者还包括加州大学伯克利分校电子工程与计算机科学系的 Hwi-Min Kim、Lory Marchand、Tanveer Ahmed Siddique，以及伯克利实验室分子铸造厂（Molecular Foundry）的 Scott Dhuey 和 Adam Schwartzberg。

这项研究获得美国海军研究办公室的支持，并得到美国国家科学基金会“量子飞跃挑战研究所”计划（NSF Quantum Leap Challenge Institutes，QLCI）、Bakar Prize，以及加州大学伯克利分校伯克利新兴技术研究中心（Berkeley Emerging Technology Research Center，BETR）的部分资助。

原文：Researchers electrically power nanophotonic lasers without disturbing light - Berkeley Engineering

---