Massenhafte räumliche Multiplexung multimodaler VCSELs mit einem 3D-gedruckten photonischen Laternenübergang

Hellere Laserstrahlen in einem kleineren Gehäuse

Ob beim Antrieb industrieller Schneidgeräte oder beim Betrieb extrem schneller Internetverbindungen: Viele moderne Technologien beruhen darauf, große Mengen Laserlicht durch dünne Glasfasern zu leiten. Heute bedeutet das häufig, viele winzige Laser auf einem Chip zusammenzufügen und ihr Licht in eine einzelne Faser zu bündeln. Das effizient und ohne sperrige Optik zu tun, ist jedoch schwierig. Diese Studie zeigt, wie eine mikroskopische, 3D-gedruckte Struktur, eine sogenannte photonische Laterne, Licht von Dutzenden chipbasierten Lasern ordentlich sammelt und in eine Lichtwellefaser einspeist, dabei den Strahl hell hält und die Hardware kompakt.

Warum das Kombinieren vieler kleiner Laser schwierig ist

Arrays von vertical-cavity surface-emitting Lasern (VCSELs) sind attraktiv, weil sie günstig, kompakt und in großen Stückzahlen leicht herstellbar sind. Jeder VCSEL in einem solchen Array erzeugt eher einen kleinen, mehrlappigen Strahl als einen einzelnen sauberen Punkt, und die Strahlen verschiedener Laser sind nicht phasensynchronisiert. Konventionelle Optiken verwenden winzige Linsen, um jede Quelle zu kollimieren, und eine größere Linse, um alle in eine dicke multimodale Faser zu fokussieren. Diese große Faser akzeptiert viele Lichtmuster, was das Einkoppeln erleichtert, aber die Energie über eine größere Fläche und Winkelverteilung verteilt und dadurch die insgesamt an ein entferntes Ziel lieferbare Helligkeit verringert.

Ein mikroskopischer Trichter für komplexes Licht

Die Forscher entwarfen eine neue Art photonischer Laterne, die als dreidimensionaler Trichter für komplexes Licht fungiert. Anstatt von vielen perfekt sauberen Einzellmoden-Eingängen auszugehen, akzeptiert ihre Laterne Eingänge, die bereits mehrere räumliche Muster von jedem VCSEL tragen. Mithilfe fortgeschrittener Computersimulationen und eines genetischen Optimierungsalgorithmus formten sie die Krümmungen und Verjüngungen Dutzender winziger Wellenleiter so, dass Licht von bis zu 37 multimodalen Lasern allmählich in einen einzelnen Wellenleiter zusammengeführt wird, der auf eine multimodale Faser abgestimmt ist, die dieselbe Gesamtzahl von Mustern unterstützt. Dieser sanfte, adiabatische Übergang ist entscheidend, um die Energie in den gewünschten Mustern zu halten und Verluste zu vermeiden.

Optik direkt auf dem Laserchip drucken

Um diese filigranen Strukturen herzustellen, nutzte das Team Zwei-Photonen-3D-Nanodruck mit einem Polymer, das mit Submikrometer-Präzision geformt werden kann. Sie druckten drei Lanternendesigns—für 7, 19 bzw. 37 Lasereingänge—direkt an den Ecken kommerzieller VCSEL-Arrays. Jede Laterne ist nur wenige hundert Mikrometer lang, kleiner als ein Staubkorn, und enthält dennoch einen sorgfältig angeordneten Wald gekrümmter Wellenleiter, die in einen einzelnen, leicht aufgeweiteten Ausgang konvergieren, der auf eine standardmäßige Glasfaser mit 50-Mikrometer-Kern abgestimmt ist. Elektronenmikroskopische Aufnahmen bestätigen, dass die gedruckten Laternen sauber mit den Laseröffnungen ausgerichtet sind und glatte, gut definierte Formen aufweisen, die für verlustarme Führung nötig sind.

Prüfung der Strahlqualität und Leistungsübertragung

Um die Leistung der Laternen zu bewerten, maßen die Autoren sowohl die detaillierte Gestalt des austretenden Lichts als auch die Gesamtleistung, die die Ausgangsfaser erreichte. Mit digitaler Holographie—einer Technik, die die vollständige Wellenfront eines Strahls rekonstruiert—kartierten sie, wie Eingangsmuster von der Laterne umverteilt werden, und bestätigten, dass die meiste Energie im Zielsatz der Modi bleibt. Für das 7-Eingangsgerät rekonstruierten sie die vollständige Transfermatrix und stellten fest, dass nahezu alle unterstützten Muster mit mäßigen Verlusten übertragen werden. Als die 19- und 37-Eingangs-Laternen an eine multimodale Faser gekoppelt wurden, betrug der zusätzliche Verlust an der Schnittstelle nur etwa ein halbes Dezibel, was bedeutet, dass der Großteil des aus der Laterne austretenden Lichts in die Faser gelangt. Die Gesamtübertragung von den Lasern durch die Laterne in die Faser blieb selbst beim größten Gerät besser als etwa 60 %, konkurrenzfähig mit oder besser als idealisierte linsenbasierte Systeme, bei deutlich kleinerer Stellfläche.

Stabile Leistung über die Zeit und Potenzial zum Skalieren

Über die reine Effizienz hinaus müssen praktische Lasersysteme stabil sein. Das Team betrieb das mit Laternen ausgestattete VCSEL-Array über Stunden kontinuierlich bei eng geregelter Temperatur und verfolgte die Ausgangsleistung bei unterschiedlichen Antriebsströmen. Die gemessenen Schwankungen waren winzig—mehr als fünfzig Dezibel unter dem Mittelwert—was darauf hindeutet, dass die Polymerstrukturen und das Laserarray ein robustes Paket bilden. Simulationen und Fertigungsgrenzen legen nahe, dass derselbe Designansatz auf Hunderte von Eingangs-Lasern erweitert werden könnte, wenn sich 3D-Druckwerkzeuge verbessern, wobei entweder das gegenwärtige Polymer oder wärmetolerantere, glasähnliche Materialien für höhere Leistungen verwendet werden könnten.

Was das für künftige Lichtquellen bedeutet

Anschaulich zeigt die Arbeit einen mikroskopischen Lichtkombinator, der vielen kleinen, etwas unordentlichen Laserstrahlen erlaubt, sich wie ein heller, gut transferierter Strahl in einer optischen Faser zu verhalten, ohne auf komplizierte Synchronisation oder sperrige Linsen angewiesen zu sein. Indem die Faser auf die tatsächliche informationsübertragende Kapazität der Quellen abgestimmt wird, erhält das System die Helligkeit und nutzt die Leistung effizient. Solche 3D-gedruckten photonischen Laternen könnten zu wichtigen Bausteinen für nächste Generationen leistungsstarker Faserlaser, kompakter Industrietools und kurzreichweitiger Datenverbindungen werden, in denen es stets darum geht, mehr Licht mit weniger Hardware zu liefern.

Zitation: Dana, Y., Shukhin, K., Garcia, Y. et al. Massive-scale spatial multiplexing of multimode VCSELs with a 3D-printed photonic lantern. Nat Commun 17, 2286 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70458-4

Schlüsselwörter: VCSEL-Arrays, photonische Laterne, 3D-Nanodruck, multimodale Faser, Strahlkombination