近日，上海理工大學(xué)方心遠(yuǎn)研究員、顧敏院士團隊在《自然·通訊》（Nature Communications）雜志上發(fā)表題為“基于電流尋址模式復(fù)用的GHz動態(tài)全息VCSEL芯片”（“GHz dynamic holographic VCSEL chip via current-addressed modes multiplexing”）的研究論文。首次報道芯片尺度上實現(xiàn)了動態(tài)全息顯示的集成化與高速刷新兼得，刷新率突破1.93 GHz，創(chuàng)下迄今最小最快全息芯片的紀(jì)錄（圖一）。該成果有望徹底改變虛擬現(xiàn)實、光通信和自動駕駛等領(lǐng)域的信息交互方式，為未來高速三維信息產(chǎn)業(yè)注入新動能。論文第一作者為智能科技學(xué)院胡曉楠同學(xué)，共同第一作者為董毅博博士，通訊作者為方心遠(yuǎn)研究員與顧敏院士。上海理工大學(xué)為論文第一作者單位與唯一通訊單位。

GHz刷新率動態(tài)全息芯片概念圖

兩難困局：傳統(tǒng)全息系統(tǒng)“體積”與“速度”的雙重枷鎖

全息技術(shù)自誕生以來，一直被寄予厚望于實現(xiàn)逼真的三維顯示和高吞吐量信息處理。然而，傳統(tǒng)動態(tài)全息系統(tǒng)依賴空間光調(diào)制器（SLM）或數(shù)字微鏡設(shè)備（DMD）等外部器件，搭配體積龐大的激光源，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜、難以小型化。這不僅限制了其在便攜設(shè)備中的應(yīng)用，也使得動態(tài)刷新率難以提升，通常僅停留在kHz級別。隨著元宇宙、自動駕駛、6G通訊等未來產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，市場對高速、緊湊型三維信息交互技術(shù)的需求日益迫切。上理工團隊此次的研究，正是直擊這一痛點，通過半導(dǎo)體激光器與全息元件的單片集成，實現(xiàn)了“魚與熊掌兼得”。

破局之策：電流像智能鑰匙一樣切換光模式

研究團隊的創(chuàng)新思路令人拍案叫絕：他們發(fā)現(xiàn)，多模垂直發(fā)射激光器（VCSEL，一種微型激光器）在不同電流下產(chǎn)生的光模式變化，可以作為信息傳遞的“通道”。 團隊通過調(diào)節(jié)不同的電流值，激光器會輸出對應(yīng)軌道角動量（OAM）狀態(tài)的光學(xué)模式。研究人員設(shè)計了特殊的“光編碼器”（OAM復(fù)用全息圖），將不同的圖像信息分別編碼到這些光模式上。當(dāng)需要顯示某幅圖像時，只需切換對應(yīng)的注入電流，激光器就會自動輸出匹配的光模式，從而“解鎖”目標(biāo)圖像。

制造工藝：納米光刻如微雕藝術(shù)集成全息圖

實現(xiàn)芯片化的關(guān)鍵，是團隊采用的3D激光納米打印技術(shù)，他們在比頭發(fā)絲還細(xì)的激光器端面上，直接“雕刻”出精細(xì)的光學(xué)結(jié)構(gòu)。每個單元只有100微米見方，卻集成了激光源和全息器件于一身。團隊構(gòu)建了2×2陣列的芯片，實現(xiàn)1.93 GHz的超高全息刷新速率，比現(xiàn)有商用全息設(shè)備快六個數(shù)量級。這意味著它可以在1秒內(nèi)完成傳統(tǒng)設(shè)備需要一個月才能完成的全息幀切換。更值得一提的是，該芯片還具備動態(tài)3D顯示能力，通過切換不同注入電流，可在不同成像平面呈現(xiàn)清晰的全息圖像。

“這好比從鄉(xiāng)間小路躍升到磁懸浮軌道。”方心遠(yuǎn)打比方說，“我們的芯片不僅小如沙粒，而且快如閃電，為實時全息通信鋪平了道路?！?/span>

團隊積淀：從基礎(chǔ)研究到產(chǎn)業(yè)需求的轉(zhuǎn)型之路

智能科技學(xué)院顧敏院士、方心遠(yuǎn)研究員團隊在OAM信息光子學(xué)領(lǐng)域深耕多年。早在2020年，團隊在《Nature Photonics》上首次提出超寬帶OAM全息技術(shù)，開創(chuàng)了高安全全息加密的新方向；2025年，團隊又在《Science Advances》推出AI賦能的彩色OAM全息技術(shù)，實現(xiàn)了智能化全息編碼。此次工作則以應(yīng)用場景為牽引，聚焦于產(chǎn)業(yè)需求，將基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)化為芯片級解決方案，標(biāo)志著團隊從理論創(chuàng)新向應(yīng)用驅(qū)動的轉(zhuǎn)型。

“我們的研究思路已經(jīng)從‘能做什么’轉(zhuǎn)向‘需要什么’。這項突破不是實驗室的擺設(shè)，而是為解決產(chǎn)業(yè)痛點而生,同時為合成光學(xué)人工智能技術(shù)奠定了硬件基礎(chǔ)。”顧敏院士表示。

未來圖景：解鎖高速三維信息交互的多元應(yīng)用場景

這項技術(shù)的突破，為未來信息產(chǎn)業(yè)的高速三維信息交互場景打開全新想象空間。在VR/AR領(lǐng)域，芯片級全息顯示可集成于輕便眼鏡中，近乎零延遲的全息顯示將徹底消除用戶的眩暈感，帶來沉浸式體驗；在高速光通信領(lǐng)域，GHz級刷新率可使數(shù)據(jù)傳輸速度提升數(shù)個量級，為6G通信奠定硬件基礎(chǔ)；在自動駕駛領(lǐng)域，全息雷達(dá)可實現(xiàn)實時三維環(huán)境感知與導(dǎo)航；在醫(yī)療成像領(lǐng)域，微型內(nèi)窺鏡可實現(xiàn)體內(nèi)器官的三維實時成像。

這顆小小的"全息芯"，就像一粒種子，正在孕育著下一代三維信息處理技術(shù)的革命。未來，我們或許能用上如紙般輕薄的全息手機，體驗如真實世界般的虛擬現(xiàn)實——這一切，都從這項突破性技術(shù)開始。

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