超小型“纳米激光器”问世有望重塑未来计算机芯片

丹麦技术大学（DTU）的研究团队近日宣布，他们在半导体薄膜中构建出一种全新的超紧凑纳米激光器，为用光子取代电子在芯片内部传输信息迈出了关键一步。 研究人员表示，这种器件小到可以在一块微芯片上集成成千上万个，有望显著提升数据处理速度，同时大幅降低能耗。

目前，互联网主干早已依靠光纤中传播的光来传输海量数据，但在单台计算机和服务器芯片内部，信息仍主要通过电信号在金属导线中流动，这不仅带来热量堆积，也限制了性能上限。 DTU 团队开发的纳米激光器，正是为了解决这一“最后一公里”问题：通过在芯片上直接产生并操控光信号，将电子计算与光子互连紧密结合起来。

该器件的核心是一种被称为“纳米腔”的光学结构，它能在极小的空间体积内强烈束缚光，使光场和电子被限制在此前被认为几乎无法实现的尺度之内。 研究人员在 DTU 的纳米加工洁净室（DTU Nanolab）中制备了这款激光器，其工作原理是通过外部光束激发，使电子和光在半导体薄膜中的微小区域内强耦合，从而在极低能耗下、在室温条件下实现稳定激光输出。

项目负责人、DTU 教授 Jesper Mørk 指出，这种纳米激光器为新一代兼具高性能与极小尺寸的光电子器件铺平了道路。 他举例称，在信息技术领域，超小型、低能耗的激光源可望显著降低计算机整体能耗；在医疗健康领域，由于该结构能实现极高的光场集中度，有望用于获得更高分辨率的成像以及构建超高灵敏度的生物传感器。

目前，全球大型数据中心的能源消耗仍在持续攀升，芯片内部互连所产生的能量损耗和散热压力是其中的重要原因之一。 Mørk 估算，如果这类纳米激光技术能够大规模应用于芯片内光互连，计算机系统的能耗有望降低约一半，同时在传输速率和响应时间上迎来新一轮飞跃，对从智能手机到超大规模数据中心的各类设备都将产生深远影响。

这款纳米激光器的尺寸和设计正是围绕未来芯片的需求而定：芯片内部预计需要成千上万颗紧凑而高效的光源，用于完成不同功能单元之间的光信号收发。 为了实现这一点，研究团队不仅在物理结构上突破了传统激光器尺寸的极限，也在能量利用效率上进行了优化，使其在极低激发功率下仍能工作。

目前，该装置仍由外部光源抽运驱动，下一步的关键技术难题，是让纳米激光器能够直接由电流驱动，从而真正与现有芯片制造和封装工艺深度融合。 研究团队认为，一旦实现电驱动，并解决可靠性与大规模制造等工程问题，这项技术有望在未来 5 至 10 年内走出实验室，进入实际应用场景。

从更广泛的产业角度看，电驱纳米激光器若能成熟，将推动消费电子产品在功耗和性能上的双重升级，使终端设备在更低能耗下完成更复杂的任务。 对于云计算和人工智能训练所依赖的数据中心而言，内建光互连可大幅削减电力和冷却成本，同时减少相关的二氧化碳排放，为信息基础设施的“绿色转型”提供新路径。

该纳米腔结构最初由 DTU Construct 的 Ole Sigmund 教授团队提出与开发，为后续激光器的实现奠定了设计基础。 本次工作由 Meng Xiong、Yi Yu 等多位研究人员共同完成，成果发表于 2025 年 12 月 17 日的《Science Advances》，论文题为《A nanolaser with extreme dielectric confinement》，并获得丹麦国家研究基金会、欧盟“地平线 2020”计划及 Villum 基金青年研究者项目的资助。