Multiplexage spatial à grande échelle de VCSEL multimodes avec un photonic lantern imprimé en 3D

Lumière laser plus brillante dans un emballage plus petit

Qu’il s’agisse d’alimenter des découpeuses industrielles ou d’assurer des liaisons Internet ultra‑rapides, de nombreuses technologies modernes reposent sur le transfert d’importantes quantités de lumière laser dans de fines fibres de verre. Aujourd’hui, cela revient souvent à regrouper de nombreux petits lasers sur une puce et à canaliser leur lumière dans une seule fibre. Mais le faire efficacement sans optiques volumineuses est difficile. Cette étude montre comment une structure microscopique imprimée en 3D, appelée photonic lantern, peut rassembler proprement la lumière de dizaines de lasers sur puce et l’alimenter dans une fibre optique tout en conservant un faisceau lumineux et un matériel compacts.

Pourquoi il est difficile de combiner de nombreux petits lasers

Les réseaux de lasers émetteurs de surface à cavité verticale (VCSEL) sont attractifs parce qu’ils sont peu coûteux, compacts et faciles à fabriquer en grand nombre. Chaque VCSEL d’un tel réseau produit un faisceau petit et multi‑lobé plutôt qu’un point unique et propre, et les faisceaux des différents lasers ne sont pas synchronisés. Les optiques conventionnelles utilisent de minuscules lentilles pour collimater chaque source et une lentille plus grande pour focaliser l’ensemble dans une fibre multimode épaisse. Cette grosse fibre accepte de nombreux motifs lumineux, ce qui facilite le couplage, mais répartit l’énergie sur une zone et un angle plus larges, réduisant la brillance globale pouvant être délivrée à une cible distante.

Un entonnoir microscopique pour la lumière complexe

Les chercheurs ont conçu un nouveau type de photonic lantern qui agit comme un entonnoir tridimensionnel pour la lumière complexe. Plutôt que de partir de nombreuses entrées parfaitement monomodes, leur lantern accepte des entrées qui présentent déjà plusieurs motifs spatiaux issus de chaque VCSEL. En utilisant des simulations informatiques avancées et un algorithme d’optimisation génétique, ils ont façonné les courbes et les conicités de dizaines de guides d’onde microscopiques de sorte que la lumière provenant jusqu’à 37 lasers multimodes fusionne progressivement en un seul guide d’onde apparié à une fibre multimode supportant le même nombre total de motifs. Cette transition douce, adiabatique, est essentielle pour maintenir l’énergie dans les motifs souhaités et éviter les pertes.

Impression directe des optiques sur la puce laser

Pour réaliser ces structures complexes, l’équipe a utilisé l’impression nanométrique 3D par deux‑photons avec un polymère pouvant être sculpté avec une précision sub‑micronique. Ils ont imprimé trois modèles de lanternes — gérant 7, 19 ou 37 entrées laser — directement aux coins de réseaux VCSEL commerciaux. Chaque lantern ne mesure que quelques centaines de micromètres de long, plus petite qu’un grain de poussière, et contient néanmoins une forêt soigneusement disposée de guides d’onde courbés qui convergent en une sortie unique légèrement évasée dimensionnée pour s’adapter à une fibre en verre standard à cœur de 50 micromètres. Des images au microscope électronique confirment que les lanternes imprimées s’alignent proprement avec les ouvertures des lasers et conservent des formes lisses et bien définies nécessaires à une guidance à faibles pertes.

Évaluation de la qualité du faisceau et de la puissance délivrée

Pour tester les performances des lanternes, les auteurs ont mesuré à la fois la forme détaillée de la lumière émergente et la puissance totale atteignant la fibre de sortie. À l’aide d’holographie numérique — une technique qui reconstruit le front d’onde complet du faisceau — ils ont cartographié la redistribution des motifs d’entrée par la lantern et confirmé que la majeure partie de l’énergie reste dans l’ensemble cible de modes. Pour le dispositif à 7 entrées, ils ont reconstruit la matrice de transfert complète et constaté que presque tous les motifs supportés sont transmis avec des pertes modestes. Lorsque les lanternes à 19 et 37 entrées ont été accouplées bout à bout à une fibre multimode, la perte supplémentaire à l’interface n’était que d’environ un demi‑décibel, ce qui signifie que la plupart de la lumière sortant de la lantern entre dans la fibre. La transmission globale des lasers à travers la lantern et dans la fibre est restée supérieure à environ 60 % même pour le plus grand dispositif, compétitive avec — ou meilleure que — des systèmes idéalisés à base de lentilles tout en utilisant une empreinte bien plus petite.

Performances stables dans le temps et marge de progression

Au‑delà de l’efficacité brute, les systèmes lasers pratiques doivent être stables. L’équipe a fait fonctionner en continu le réseau VCSEL équipé de lanternes pendant des heures en contrôlant étroitement la température, en suivant la puissance de sortie à différents courants d’alimentation. Les fluctuations mesurées étaient infimes — plus de cinquante décibels sous le signal moyen — indiquant que les structures polymériques et le réseau laser forment un ensemble robuste. Les simulations et les limites de fabrication suggèrent que la même approche de conception pourrait être étendue à des centaines de lasers d’entrée au fur et à mesure de l’amélioration des outils d’impression 3D, en utilisant soit le polymère actuel soit des matériaux de type verre plus résistants à la chaleur pour des puissances plus élevées.

Ce que cela signifie pour les moteurs de lumière du futur

En termes simples, ce travail démontre un combinatoire de lumière microscopique qui permet à de nombreux petits faisceaux laser un peu désordonnés de se comporter comme un seul faisceau brillant et bien livré dans une fibre optique, sans recourir à une synchronisation compliquée ni à des lentilles volumineuses. En adaptant la fibre à la véritable capacité porteuse d’information des sources, le système préserve la brillance et utilise la puissance de façon efficace. De tels photonic lanterns imprimés en 3D pourraient devenir des blocs de construction clés pour les lasers à fibre de haute puissance de prochaine génération, les outils industriels compacts et les liaisons de données courte portée, où l’objectif est constamment de délivrer plus de lumière avec moins de matériel.

Citation: 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

Mots-clés: réseaux de VCSEL, photonic lantern, impression 3D nanométrique, fibre multimode, combinaison de faisceaux