Multiplexing spaziale su scala massiva di VCSEL multimodo con un photonic lantern stampato in 3D

Luce laser più intensa in un ingombro ridotto

Dall’alimentazione di tagliatrici industriali al supporto di collegamenti Internet ultra‑veloci, molte tecnologie moderne richiedono di convogliare grandi quantità di luce laser attraverso sottili fibre di vetro. Oggi ciò spesso significa accoppiare numerosi minuscoli laser su chip e incanalare la loro luce in un’unica fibra. Ma farlo in modo efficiente senza ottiche ingombranti è difficile. Questo studio mostra come una struttura microscopica stampata in 3D, chiamata photonic lantern, possa raccogliere ordinatamente la luce da dozzine di laser su chip e alimentare una fibra ottica mantenendo il fascio brillante e l’hardware compatto.

Perché è difficile combinare molti piccoli laser

Gli array di laser a cavità verticale con emissione superficiale (VCSEL) sono attraenti perché sono economici, compatti e facili da produrre in grandi quantità. Ogni VCSEL in un array emette un fascio piccolo e multilobo piuttosto che un singolo punto pulito, e i fasci dei diversi laser non sono sincronizzati. Le ottiche convenzionali usano minuscole lenti per collimate ogni sorgente e una lente più grande per focalizzarle tutte in una fibra multimodo spessa. Quella fibra larga accetta molti schemi spaziali di luce, rendendo il coupling semplice, ma distribuisce l’energia su un’area e un angolo maggiori, riducendo la brillantezza complessiva trasferibile a un bersaglio distante.

Un imbuto microscopico per luce complessa

I ricercatori hanno progettato un nuovo tipo di photonic lantern che funziona come un imbuto tridimensionale per luce complessa. Invece di partire da molti ingressi monomodali perfettamente puliti, la loro lantern accetta ingressi che già contengono diversi pattern spaziali da ciascun VCSEL. Utilizzando simulazioni al computer avanzate e un algoritmo genetico di ottimizzazione, hanno modellato le curve e i taper di dozzine di minuscole guide d’onda in modo che la luce proveniente fino a 37 laser multimodo si fonda gradualmente in una singola guida d’onda compatibile con una fibra multimodo che supporta lo stesso numero totale di modi. Questa transizione dolce, adiabatic a, è fondamentale per mantenere l’energia nei pattern desiderati ed evitare perdite.

Stampare l’ottica direttamente sul chip laser

Per realizzare queste strutture intricate, il team ha usato la nanostampa 3D a due fotoni con un polimero che può essere scolpito con precisione sub‑micrometrica. Hanno stampato tre design di lantern—per 7, 19 o 37 ingressi laser—direttamente sugli angoli di array commerciali di VCSEL. Ogni lantern è lunga solo pochi centinaia di micrometri, più piccola di un granello di polvere, e contiene una foresta ordinata di guide d’onda curve che convergono in un’unica uscita leggermente svasata dimensionata per corrispondere a una fibra in vetro standard con nucleo da 50 micrometri. Immagini al microscopio elettronico confermano che le lantern stampate si allineano perfettamente con le aperture dei laser e mantengono forme lisce e ben definite necessarie per una guida a bassa perdita.

Testare la qualità del fascio e la consegna di potenza

Per valutare le prestazioni delle lantern, gli autori hanno misurato sia la forma dettagliata della luce emergente sia la potenza totale che raggiungeva la fibra di uscita. Usando olografia digitale—una tecnica che ricostruisce l’intero fronte d’onda del fascio—hanno mappato come i pattern in ingresso vengono redistribuiti dalla lantern e hanno confermato che la maggior parte dell’energia rimane all’interno del set di modi target. Per il dispositivo a 7 ingressi hanno ricostruito la matrice di trasferimento completa, trovando che quasi tutti i pattern supportati vengono trasmessi con perdite modeste. Quando le lantern a 19 e 37 ingressi sono state accoppiate per contatto a una fibra multimodo, la perdita extra all’interfaccia è stata di circa mezzo decibel, il che significa che la maggior parte della luce che esce dalla lantern entra nella fibra. La trasmissione complessiva dai laser attraverso la lantern e nella fibra è rimasta superiore a circa il 60% anche per il dispositivo più grande, competitiva o migliore rispetto a sistemi idealizzati basati su lenti, pur utilizzando un ingombro molto più ridotto.

Prestazioni stabili nel tempo e margini di crescita

Oltre all’efficienza, i sistemi laser pratici devono essere stabili. Il team ha fatto funzionare l’array di VCSEL dotato di lantern in continuo per ore controllando con precisione la temperatura e monitorando la potenza d’uscita a diversi correnti di pilotaggio. Le fluttuazioni misurate sono state minime—oltre cinquanta decibel al di sotto del segnale medio—indicando che le strutture polimeriche e l’array laser costituiscono un pacchetto robusto. Simulazioni e limiti di fabbricazione suggeriscono che lo stesso approccio di design potrebbe essere esteso a centinaia di laser in ingresso man mano che gli strumenti di stampa 3D migliorano, usando sia il polimero attuale sia materiali più resistenti al calore simili al vetro per potenze maggiori.

Cosa significa per i motori di luce futuri

In termini semplici, il lavoro dimostra un combinatore di luce microscopico che permette a molti piccoli fasci laser, non perfettamente ordinati, di comportarsi come un unico fascio brillante e ben consegnato all’interno di una fibra ottica, senza fare affidamento su sincronizzazione complessa o lenti voluminose. Adeguando la fibra alla reale capacità informativa delle sorgenti, il sistema preserva la brillantezza e utilizza la potenza in modo efficiente. Tali photonic lantern stampate in 3D potrebbero diventare componenti chiave per le future generazioni di laser a fibra ad alta potenza, strumenti industriali compatti e collegamenti dati a corto raggio, dove l’obiettivo è sempre fornire più luce con meno hardware.

Citazione: 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

Parole chiave: array di VCSEL, photonic lantern, nanostampa 3D, fibra multimodo, combinazione di fasci