Микроскопический фотонный фонарь открывает путь к сверхмощным и компактным лазерным системам
Исследователи из Израиля создали микроскопическое оптическое устройство, которое может упростить конструкции мощных лазерных систем. Разработка позволяет эффективно объединять свет от десятков полупроводниковых лазеров в один оптический волновод с минимальными потерями энергии. В основе технологии лежит трехмерная печатная структура, известная как «фотонный фонарь», которая направляет излучение от множества небольших лазеров в один многомодовый волоконный световод без снижения яркости пучка. Ученые полагают, что такой подход окажется востребованным в промышленности, где используются мощные лазеры, доставляемые по оптоволокну, включая обрабатывающую промышленность, телекоммуникации и оборонный сектор.
Исследование провел аспирант Йоав Дана под руководством профессора Дана М. Марома из Института прикладной физики Еврейского университета в Иерусалиме в сотрудничестве с компанией Civan Lasers при поддержке Управления инноваций Израиля. Работа демонстрирует новый уровень миниатюризации и масштабируемости оборудования для объединения оптических пучков.
Традиционные фотонные фонари объединяют несколько одномодовых входных сигналов в один многомодовый волновод, однако большинство мощных полупроводниковых лазеров работают в нескольких пространственных модах, что создавало техническое несоответствие. Команда из Еврейского университета решила эту проблему, перепроектировав архитектуру фонаря. Новая структура, названная N-MM фотонным фонарем, позволяет напрямую подводить излучение от множества многомодовых VCSEL-лазеров (лазеров с вертикальным резонатором и поверхностным излучением) в один многомодовый волоконный световод. В ходе демонстрации были созданы фонари, объединяющие 7, 19 и 37 VCSEL-лазеров, каждый из которых работал в шести пространственных модах. Таким образом, система поддерживала передачу до 222 пространственных мод в одно многомодовое волокно.
Такая архитектура сохраняет яркость и одновременно упрощает требования к юстировке, поскольку новый фонарь согласует модовую емкость лазеров и волокна, избегая деградации качества луча, характерной для традиционных линзовых систем. Устройство также отличается впечатляющей компактностью: вся структура, изготовленная методом 3D-микропечати, имеет длину менее полумиллиметра, а самая крупная конфигурация с 37 входами занимает всего 470 микрометров. Несмотря на размеры, фонарь демонстрирует высокую эффективность: потери при объединении составили всего -0,6 децибела для 19-входной версии и около -0,8 децибела для 37-входной, что обеспечивает эффективную передачу света в стандартные 50-микрометровые многомодовые волокна. Внутри фонаря создан адиабатический оптический переход, который постепенно преобразует несколько маломодовых входов в один многомодовый канал, сохраняя оптические степени свободы системы и минимизируя рассеяние или потери мощности.
Данный результат демонстрирует масштабируемый метод некогерентного объединения лучей, который не требует синхронизации фаз лазеров, а просто эффективно суммирует их выходную мощность. Эта возможность может помочь инженерам создавать более компактные мощные лазерные системы, а также найдет применение в оптоволоконных сетях связи и сенсорных технологиях. Если метод получит дальнейшее развитие, производители смогут объединять сотни полупроводниковых лазеров в один оптоволоконный канал, что позволит значительно увеличить мощность лазерных систем при сохранении компактности оборудования.
Исследование в журнале Nature Communications.