3Dプリント光子ランタンによるマルチモードVCSELの大規模空間多重化

より小さな筐体でより明るいレーザー光

工業用切断機の駆動から超高速インターネット回線の伝送まで、現代の多くの技術は細いガラス光ファイバに大量のレーザー光を送り込むことに依存しています。今日では多くの場合、チップ上に多数の小型レーザーを並べ、それらの光を単一のファイバに導くやり方が使われます。しかし、かさばる光学系を使わずに効率よくこれを行うのは難しい。本研究は、光子ランタンと呼ばれる微小な3Dプリント構造が、数十のチップスケールレーザーからの光を整理して光ファイバに送り込み、ビームの明るさを保ちつつハードウェアを小型化できることを示しています。

多数の小さなレーザーを結合する難しさ

垂直共振器面発光レーザー（VCSEL）アレイは、安価でコンパクト、大量生産が容易という点で魅力的です。アレイ内の各VCSELは単一のきれいなスポットではなく小さな複数葉のビームを出し、異なるレーザー間の位相同期は取れていません。従来の光学系では各光源をコリメートする小さなレンズと、すべてを太いマルチモードファイバに集める大きなレンズを使います。太いファイバは多くの光パターンを受け入れるため結合は容易ですが、エネルギーが広い面積と角度に広がり、遠方のターゲットに届けられる全体の明るさが低下します。

複雑な光のための微小な漏斗

研究者たちは、複雑な光を三次元的に漏斗状にまとめる新しいタイプの光子ランタンを設計しました。彼らのランタンは、多数の理想的にクリーンな単一モード入力から始めるのではなく、各VCSELがすでに持つ複数の空間パターンを含む入力を受け入れます。高度なコンピュータシミュレーションと遺伝的最適化アルゴリズムを用いて、数十本の微小導波路の曲線とテーパを形作り、最大37台のマルチモードレーザーからの光が徐々に合流して、同じ総モード数をサポートするマルチモードファイバに整合した単一導波路に入るようにしました。この穏やかな（アディアバティックな）遷移が、希望するモードにエネルギーを留め損失を避ける鍵となります。

レーザーチップ上へ直接プリントする光学素子

これらの精巧な構造を作るために、チームは二光子3Dナノプリントを用い、サブミクロン精度で彫塑できるポリマーを使いました。7入力、19入力、37入力を扱う3種類のランタンを市販のVCSELアレイの角に直接プリントしました。各ランタンは数百マイクロメートル程度の長さで、塵粒より小さいサイズですが、収束して標準的なコア径50マイクロメートルのガラスファイバに合わせられた、わずかに開いた単一出力へつながる曲がった導波路の整然とした森を内部に含んでいます。電子顕微鏡画像は、プリントされたランタンがレーザー開口部にきれいに整列し、低損失導波に必要な滑らかで明確な形状を維持していることを確認しています。

ビーム品質と出力伝送の試験

ランタンの性能を確認するため、著者らは出射光の詳細な形状と出力ファイバに到達した総出力の両方を測定しました。デジタルホログラフィー（ビームの完全な波面を再構成する技術）を用いて、入力パターンがランタンによりどのように再配分されるかをマッピングし、ほとんどのエネルギーが目標のモード集合内に留まることを確認しました。7入力デバイスでは完全な伝達行列を再構成し、支持されるほとんどのパターンが適度な損失で伝送されることがわかりました。19入力と37入力のランタンをマルチモードファイバにバットカップルしたとき、インターフェースでの余分な損失は約0.5デシベル程度にすぎず、ランタンを出た光の大半がファイバに入っていることを示しました。レーザーからランタン経由でファイバに入るまでの全体伝送は、最大のデバイスでも約60％以上を維持し、理想化したレンズベースのシステムと比べて競合的かそれ以上でありながらはるかに小さいフットプリントを示しました。

時間経過での安定性と拡張余地

生の効率に加えて、実用的なレーザシステムには安定性が求められます。チームは温度を厳密に制御しながらランタンを装備したVCSELアレイを数時間連続駆動し、異なる駆動電流での出力を追跡しました。測定された変動は非常に小さく—平均信号より50デシベル以上低い—ポリマー構造とレーザアレイが堅牢なパッケージを形成していることを示しました。シミュレーションと製造上の限界は、3Dプリント技術が進歩すれば同じ設計手法を数百の入力レーザへ拡張できることを示唆しており、現行ポリマーか、より高出力向けに耐熱性の高いガラス状材料のいずれかを用いることが可能です。

将来の光源にとっての意義

日常的な観点では、この研究は多数の小さくてやや乱れたレーザビームを、複雑な同期やかさばるレンズに頼ることなく、光ファイバ内部で1つの明るく効率的に届けられるビームのように振る舞わせる微視的な光結合器を示しています。ファイバをソースの実際の情報搬送能力に合わせることで、明るさを保ち電力を効率的に使います。こうした3Dプリント光子ランタンは、次世代の高出力ファイバレーザ、コンパクトな産業用ツール、短距離データリンクなど、より少ないハードウェアでより多くの光を届けることが重要な分野の主要な構成要素になる可能性があります。

引用: 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

キーワード: VCSELアレイ, 光子ランタン, 3Dナノプリント, マルチモードファイバ, ビーム結合