Израильские ученые разработали микроскопическое оптическое устройство, способное облегчить создание сложных лазерных систем высокой мощности. Новая технология позволяет эффективно комбинировать свет, генерируемый десятками полупроводниковых лазеров, в один оптический волновод с незначительными потерями энергии. В качестве основы используется трехмерная печатная структура, названная «фотонный фонарь», которая направляет излучение от множества компактных лазеров в один многомодовый волоконный световод, сохраняя при этом интенсивность светового потока. Специалисты считают, что данный метод будет полезен в отраслях, где применяются мощные лазеры, передаваемые по оптоволоконным линиям, таких как промышленность, телекоммуникации и оборонная сфера.
Работа была выполнена аспирантом Йоавом Даной под руководством профессора Дана М. Марома из Института прикладной физики Еврейского университета в Иерусалиме. В сотрудничестве с компанией Civan Lasers и при поддержке Управления инноваций Израиля, исследование демонстрирует принципиально новый уровень миниатюризации и возможности масштабирования оборудования, предназначенного для объединения оптических пучков.
Обычные фотонные фонари комбинируют несколько одномодовых входных сигналов в один многомодовый волновод, но поскольку большинство мощных полупроводниковых лазеров функционируют в нескольких пространственных модах, это приводило к техническим сложностям. Специалисты из Еврейского университета нашли решение этой проблемы, изменив конструкцию фонаря. Усовершенствованная структура, получившая название N-MM фотонный фонарь, обеспечивает непосредственное подключение излучения от множества многомодовых VCSEL-лазеров (лазеров с вертикальным резонатором и поверхностным излучением) к одному многомодовому волоконному световоду. В ходе эксперимента были разработаны фонари, объединяющие 7, 19 и 37 VCSEL-лазеров, каждый из которых работал в шести пространственных модах. Следовательно, система обеспечивала передачу до 222 пространственных мод по одному многомодовому волокну.
Данная архитектура поддерживает высокую интенсивность света и одновременно снижает требования к настройке, так как новый фонарь выравнивает модовую емкость лазеров и волокон, предотвращая снижение качества луча, свойственное традиционным линзовым системам. Устройство также отличается значительной компактностью: вся конструкция, выполненная методом 3D-микропечати, имеет длину менее полумиллиметра, а самая крупная модель с 37 входами занимает всего 470 микрометров. При этом фонарь демонстрирует высокую производительность: потери при объединении составили всего -0,6 децибела для версии с 19 входами и приблизительно -0,8 децибела для 37-входной, что обеспечивает эффективную передачу света в стандартные 50-микрометровые многомодовые волокна. Внутри фонаря реализован адиабатический оптический переход, который постепенно преобразует несколько маломодовых входов в один многомодовый канал, сохраняя оптические степени свободы системы и минимизируя рассеяние или потери мощности.
Представленный результат показывает, что разработанный подход к объединению лучей, основанный на некогерентном суммировании, не предполагает синхронизации фаз лазеров и позволяет эффективно наращивать их общую мощность. Это открывает перспективы для разработки более компактных и мощных лазерных систем, а также может быть использован в оптоволоконных сетях связи и сенсорных технологиях. В случае дальнейшего совершенствования метода, производители смогут интегрировать в единый оптоволоконный канал сотни полупроводниковых лазеров, что приведет к существенному увеличению мощности лазерных систем при сохранении их компактности.
Исследование в журнале Nature Communications.