实验室夏志国教授团队：激光驱动准透明陶瓷光子引擎赋能千米级白光通信
实时、高速、大容量的无线通信是下一代6G系统和低空经济（如无人机物流、空中交通管理）发展的核心驱动力。在海拔1000米以下的低空空域，传统射频通信面临频谱拥堵和电磁干扰等问题，而可见光通信（VLC）技术以其频谱资源丰富、安全性高、无电磁干扰等优势，被视为极具潜力的解决方案。将照明与通信功能合二为一，实现“照明即通信”，对光源的亮度、速度、距离和稳定性提出了极其严苛的要求。传统的LED光源受限于“效率骤降”和有限的调制带宽，而有机封装荧光粉则因热导率差难以承受高功率密度激发，这使得打造一款能同时满足远距离照明与高速通信的“光子引擎”成为巨大挑战。
透明陶瓷是理想的激光驱动光子转换体，但其传统制备方法（如热等静压、放电等离子烧结）依赖高温高压和纳米前驱体原料，成本高、难以规模化且形状灵活性差。华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室夏志国教授团队在Matter期刊上发表了一项突破性成果。研究团队创新性地提出了一种温和的熔融淬冷-分步晶化策略，实现了从非晶玻璃到高结晶度Ce3+掺杂石榴石型准透明陶瓷的绿色制备，并以此为核心构建了激光驱动的白光光子引擎，成功实现了流明效率高达202lm W-1的白光照明，并基于此引擎在1.2公里的传输距离上实现了高速可见光通信，峰值带宽达到71.8 MHz。
从玻璃到陶瓷，剪裁结晶能垒实现致密化陶瓷：研究团队通过在铝硅酸盐玻璃体系中引入网络修饰体Ca2+，结合分子动力学模拟和实验验证，揭示了玻璃网络的演变规律：Ca2+的加入拓宽了离子迁移通道，显著降低了体系的结晶活化能（从755.7降至648kJ mol-1）。通过设计的分步热处理工艺，团队成功绕过了传统晶化过程中因组分贫化导致的致密化中断难题，将前驱体玻璃转化为致密的Lu(Ca2-xMgx)Al3Si2O12:Ce3+(LCMAS:Ce)准透明陶瓷。
图1玻璃相向准透明陶瓷转变机理研究
图2晶圆级LCMAS:Ce准透明陶瓷及其结构表征
图3 LCMAS:Ce准透明陶瓷的光学性能
卓越的材料性能：得益于这种独特的全晶化策略，所制备的准透明陶瓷展现出了令人瞩目的综合性能。陶瓷的晶化度高达97.5%，硬度达到26.3GPa，比商用YAG:Ce透明陶瓷高出30%，展现出极佳的可加工性和封装稳定性。其热导率高达4.19 W·m-1 K-1，是有机硅胶封装的二十倍，解决了高功率激发下的热管理难题。在光学性能方面，该陶瓷在450 nm蓝光激发下呈现出明亮的宽谱黄光发射。其内量子效率（IQE）最高可达97.8%，且在150℃高温下仍能保持91%的发射强度，表现出优异的热稳定性。在激光驱动测试中，以该准透明陶瓷构建的激光驱动白光引擎展现出卓越性能。在蓝光激光器激发下，其最大光通量达到1841lm，流明效率高达202 lm W-1，且激光饱和阈值高达20 W mm-2，远超传统荧光玻璃复合材料。
图4 激光驱动的白光光源及可见光通信应用
应用验证：研究团队进一步将该光子引擎集成到可见光通信系统中。通过滤除慢速响应的荧光成分，系统的-3 dB调制带宽从7.4MHz大幅提升至71.8 MHz。在100Mbps的数据速率下，眼图依然保持清晰张开，验证了其高保真的信号传输能力。最终，利用这一高功率光子引擎，研究团队在华南理工大学校园内成功演示了横跨1.2公里的白光照明与通信，清晰接收并解码了“SCUT”字符信号。这一通信距离相较现有技术提升了数个数量级，完全满足千米以下低空飞行器智能组网的覆盖需求。
这项工作不仅为光学透明陶瓷提供了一种绿色、可规模化且形状可造的合成新范式，更展示了玻璃全晶化策略在突破高性能光子材料瓶颈方面的巨大潜力。所开发的激光驱动准透明陶瓷光子引擎，将高效照明与远距离高速通信融为一体，为未来的6G无线通信、低空经济智能网络以及车联网等新兴领域奠定了坚实的技术基础。
相关研究成果以“Tailoring quasi-transparentceramic as a laser-driven photonic engine for kilometer-level white lightcommunication”为题发表在Matter上，其中通讯作者为夏志国教授，第一作者为孙永胜博士。该研究工作得到了国家自然科学基金（No. 52425206）等项目的资助。
