Massale ruimtelijke multiplexering van multimode VCSELs met een 3D-geprinte photonic lantern

Helderder laserlicht in een kleiner pakket

Van het aandrijven van industriële snijmachines tot het realiseren van ultrahoge‑snelheids internetverbindingen: veel moderne technologieën vertrouwen op het transporteren van grote hoeveelheden laserlicht door dunne glasvezels. Vandaag de dag betekent dat vaak het samenvoegen van veel kleine lasers op een chip en het geleiden van hun licht in één vezel. Dat efficiënt doen zonder volumineuze optiek is lastig. Deze studie laat zien hoe een microscopische 3D‑geprinte structuur, een photonic lantern genoemd, keurig licht van tientallen chip‑schaal lasers kan verzamelen en naar een optische vezel kan voeren, terwijl de bundel helder blijft en de hardware compact.

Waarom het combineren van veel kleine lasers moeilijk is

Arrays van vertical‑cavity surface‑emitting lasers (VCSELs) zijn aantrekkelijk omdat ze goedkoop, compact en gemakkelijk in grote aantallen te fabriceren zijn. Elke VCSEL in zo’n array produceert een kleine, meerlobbig bundel in plaats van een enkele zuivere puntbron, en de bundels van verschillende lasers zijn niet gesynchroniseerd. Conventionele optiek gebruikt kleine lenzen om elke bron te collimateren en een grotere lens om ze allemaal in een dikke multimodevezel te focussen. Die grote vezel accepteert veel lichtpatronen, wat koppeling vergemakkelijkt maar de energie over een groter oppervlak en hoek verspreidt, waardoor de totale helderheid die een afstandsdoel bereikt, afneemt.

Een microscopische trechter voor complex licht

De onderzoekers ontwierpen een nieuw type photonic lantern dat fungeert als een driedimensionale trechter voor complex licht. In plaats van te beginnen met vele perfecte single‑mode ingangen, accepteert hun lantern ingangen die al meerdere ruimtelijke patronen van elke VCSEL dragen. Met behulp van geavanceerde computersimulaties en een genetisch optimalisatiealgoritme vormden ze de krommen en tapsheden van tientallen kleine golfgeleiders zodat licht van maximaal 37 multimode lasers geleidelijk samensmelt in één golfgeleider die is afgestemd op een multimodevezel die hetzelfde totale aantal patronen ondersteunt. Deze zachte, adiabatische overgang is essentieel om energie in de gewenste patronen te houden en verlies te vermijden.

Optiek direct op de laserchip printen

Om deze ingewikkelde structuren te maken, gebruikte het team twee‑foton 3D‑nanoprinten met een polymeer dat met submicronprecisie kan worden gesculpteerd. Ze printten drie lanternontwerpen—voor 7, 19 of 37 laseringangen—direct op de hoeken van commerciële VCSEL‑arrays. Elke lantern is slechts enkele honderden micrometers lang, kleiner dan een stofdeeltje, en bevat toch een zorgvuldig gerangschikt bos van gekromde golfgeleiders die samenkomen in een enkele, licht uitgespreide uitgang afgestemd op een standaard glasvezel met een kern van 50 micrometer. Elektronenmicroscoopbeelden bevestigen dat de geprinte lanterns netjes uitgelijnd zijn met de laseropeningen en gladde, goed gedefinieerde vormen behouden die nodig zijn voor laag‑verlies geleiding.

Testen van bundelkwaliteit en vermogenslevering

Om te beoordelen hoe goed de lanterns presteren, maten de auteurs zowel de gedetailleerde vorm van het uitstomende licht als het totale vermogen dat de uitgangsvezel bereikte. Met digitale holografie—een techniek die de volledige golfvoorgrond van de bundel reconstrueert—karterden ze hoe invoerpatronen door de lantern worden herverdeeld en bevestigden dat het grootste deel van de energie binnen de doelset van modi blijft. Voor het 7‑ingangsapparaat reconstrueerden ze de volledige overdrachtsmatrix en vonden dat vrijwel alle ondersteunde patronen met bescheiden verlies worden doorgelaten. Toen de 19‑ en 37‑ingangs lanterns tegen een multimodevezel werden gekoppeld, bedroeg het extra verlies bij de interface slechts ongeveer een halve decibel, wat betekent dat het grootste deel van het licht dat de lantern verlaat ook de vezel ingaat. De algehele transmissie van lasers via lantern en in de vezel bleef zelfs voor het grootste apparaat beter dan ongeveer 60%, concurrerend met of beter dan geïdealiseerde lensgebaseerde systemen, terwijl het een veel kleinere voetafdruk gebruikt.

Stabiele prestaties in de tijd en ruimte om te groeien

Naast de ruwe efficiëntie moeten praktische lasersystemen stabiel zijn. Het team liet de met lantern uitgeruste VCSEL‑array urenlang continu draaien onder strakke temperatuurregeling en volgde het uitgangsvermogen bij verschillende stuurbelastingen. De gemeten fluctuaties waren uiterst klein—meer dan vijftig decibel onder het gemiddelde signaal—wat aangeeft dat de polymeerstructuren en de laserarray een robuust geheel vormen. Simulaties en fabricagelimieten suggereren dat dezelfde ontwerpaanpak uitgebreid kan worden naar honderden invoerlasers naarmate 3D‑printgereedschappen verbeteren, met gebruik van het huidige polymeer of meer hittebestendige glasachtige materialen voor hogere vermogens.

Wat dit betekent voor toekomstige lichtbronnen

In dagelijkse termen demonstreert het werk een microscopische lichtcombinator die veel kleine, enigszins rommelige laserbundels laat functioneren als één heldere, goed geleverde bundel in een optische vezel, zonder te vertrouwen op gecompliceerde synchronisatie of volumineuze lenzen. Door de vezel af te stemmen op de werkelijke informatie‑dragende capaciteit van de bronnen behoudt het systeem helderheid en gebruikt het vermogen efficiënt. Dergelijke 3D‑geprinte photonic lanterns kunnen belangrijke bouwstenen worden voor next‑generation hogevermogen‑vezellasers, compacte industriële gereedschappen en korte‑afstand datapaden, waar het voortdurend doel is meer licht met minder hardware te leveren.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: VCSEL-arrays, photonic lantern, 3D nanoprinten, multimodevezel, straalcombinatie