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前言
近日，来自美国伦斯勒理工学院与北卡罗来纳州立大学的联合研究团队在《Light: Science & Applications》上发表了一项突破性成果(https://doi.org/10.1038/s41377-026-02355-w)。他们利用连续域中束缚态合并的物理机制，成功研制出一种可在80倍阈值功率下保持单模运行的超紧凑光子晶体激光器，整个激光器区域面积仅为15微米²（约相当于一根头发丝横截面积的1/5）。这一成果为高性能集成光源开辟了全新路径。
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核心内容
1.什么是"合并BIC"？
连续域中束缚态是一种理论上具有无限高品质因子的光学状态，能够将光强烈束缚在介质中。然而在实际器件中，由于结构有限和制造误差，BIC的Q因子会显著下降。研究团队通过调整光子晶体空气孔直径，将多个非Γ点的偶然BIC与Γ点的对称保护BIC在动量空间中合并，形成"合并BIC"。这种结构下的Q因子在动量空间中的衰减从常规的1/k2转变为1/k6，极大提升了Γ点附近的Q因子稳定性和抗扰动能力。
2.实验验证：20×20阵列激光器
研究团队制备了周期为940nm、空气孔直径从410nm到514nm不等的InGaAsP量子阱光子晶体板。实验发现：
在预合并条件（d=467nm）下，BIC激光器表现出最优的单模稳定性，即使在80倍阈值功率下仍保持单模输出。
对比之下，在完全合并条件下，由于高Q区域被扩大，使得高阶模式（如p态）也获得较低的阈值增益，导致在50倍阈值时出现多模竞争。
通过有限元仿真和FDTD计算，团队进一步确认：在预合并条件下，基模（s态）与第一激发态（p态）的阈值增益分别为7.89cm−1和25.5cm−1，差距超过3倍；而在合并条件下，两者差距缩小至仅1.3倍。这一差异直接决定了高功率下的模式稳定性。
3.极致紧凑：5×5阵列激光器
为了验证微型化潜力，团队进一步制备了仅有5×5周期（面积<15μm²）的超紧凑光子晶体激光器。由于尺寸过小，边缘损耗显著，团队创新性地引入边缘工程：将边界处的空气孔直径缩小为中心区域的75%，有效提升了BIC模式的Q因子。实验结果显示，该微型激光器在10倍阈值功率下仍保持单模输出，并通过远场自干涉实验验证了其BIC模式特有的偏振涡旋结构。
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研究意义
1.提出"预合并"作为单模激光器设计新范式
传统思路多追求完全合并以降低阈值，但该研究发现：在有限尺寸光子晶体中，预合并条件反而能最大化基模与高阶模式之间的增益差，从而在高功率下有效抑制模式竞争。这一反直觉的发现为未来高功率、高稳定性单模激光器提供了全新设计原则。
2.实现迄今最小面积的BIC激光器
通过边缘工程，团队成功将BIC激光器缩小至15μm²，远小于此前报道的mini-BIC或super-BIC器件。这一尺寸接近半导体激光器的物理极限，为片上光互连、光学传感、激光雷达等高度集成应用铺平了道路。
3.为电泵浦BIC激光器奠定基础
目前虽采用光泵浦，但该器件的结构设计与物理机制与电泵浦兼容。未来结合电注入技术与进一步优化模式选择，有望实现真正可集成的片上电泵浦BIC激光器。
图1：连续域中束缚态（BIC）合并激光器的理论分析
图2：所制备光子晶体平板的扫描电子显微镜图像及能带结构分析
图3：BIC激光器的实验表征
图4：有限尺寸光子晶体平板中BIC模式的分析
图5：BIC激光器的远场表征
图6：来自5×5阵列光子晶体平板的BIC激光器表征
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