Wielkoskalowe przestrzenne multipleksowanie multimodowych VCSEL-i za pomocą fotonicznej latarni wydrukowanej w 3D

Jaśniejsze światło laserowe w mniejszym opakowaniu

Od napędzania przemysłowych przecinarek po obsługę ultraszybkich łączy internetowych — wiele współczesnych technologii opiera się na przesyłaniu dużych ilości światła laserowego przez cienkie szklane włókna. Dziś często oznacza to sklejanie wielu miniaturowych laserów na chipie i kierowanie ich światła do pojedynczego włókna. Jednak osiągnięcie tego efektywnie, bez masywnej optyki, jest trudne. W tym badaniu pokazano, jak mikroskopijna struktura wydrukowana w 3D, zwana fotoniczną latarnią, może elegancko zbierać światło z kilkudziesięciu laserów na chipie i wprowadzać je do włókna optycznego, zachowując przy tym jasną wiązkę i kompaktową konstrukcję sprzętu.

Dlaczego łączenie wielu małych laserów jest trudne

Macierze diod pionowo emitujących (VCSEL) są atrakcyjne, ponieważ są tanie, kompaktowe i łatwe do seryjnej produkcji. Każdy VCSEL w takiej macierzy wytwarza małą, wielodyszową wiązkę, a nie pojedynczą, czystą plamkę, a wiązki z różnych laserów nie są zsynchronizowane. Konwencjonalna optyka stosuje drobne soczewki do kolimacji każdego źródła i większą soczewkę do ogniskowania wszystkich do grubego włókna multimodowego. Takie duże włókno akceptuje wiele wzorców przestrzennych światła, co ułatwia sprzężenie, ale rozprasza energię na większą powierzchnię i kąt, zmniejszając ogólną jasność, którą można dostarczyć do odległego celu.

Mikroskopijny lejek dla złożonego światła

Naukowcy zaprojektowali nowy rodzaj fotonicznej latarni, która działa jak trójwymiarowy lejek dla złożonego pola świetlnego. Zamiast zaczynać od wielu idealnie czystych wejść jednokrotnych, ich latarnia przyjmuje wejścia, które już zawierają kilka wzorców przestrzennych z każdego VCSEL-a. Korzystając z zaawansowanych symulacji komputerowych i algorytmu optymalizacji genetycznej, ukształtowali krzywizny i stożkowania dziesiątek drobnych prowadników falowych tak, aby światło z maksymalnie 37 multimodowych laserów stopniowo łączyło się w pojedynczy prowadnik dopasowany do włókna multimodowego, które obsługuje tę samą łączną liczbę wzorców. To łagodne, adiabatyczne przejście jest kluczowe dla utrzymania energii w pożądanych wzorcach i unikania strat.

Drukowanie optyki bezpośrednio na chipie laserowym

Aby wykonać te misternie ukształtowane struktury, zespół użył dwufotonowego druku 3D na poziomie nanometrów z polimeru, który można rzeźbić z submikronową precyzją. Wydrukowali trzy projekty latarni — obsługujące 7, 19 lub 37 wejść laserowych — bezpośrednio na narożnikach komercyjnych macierzy VCSEL. Każda latarnia ma zaledwie kilkaset mikrometrów długości, mniejsza niż ziarnko kurzu, a mimo to zawiera starannie ułożony „las” zakrzywionych prowadników falowych, które zbieżają się w pojedyncze, lekko rozszerzone wyjście o rozmiarze dopasowanym do standardowego włókna szklanego o rdzeniu 50 mikrometrów. Obrazy z mikroskopu elektronowego potwierdzają, że wydrukowane latarnie wyrównują się czysto z aperturami laserów i zachowują gładkie, dobrze zdefiniowane kształty niezbędne do prowadzenia przy niskich stratach.

Badanie jakości wiązki i dostarczania mocy

Aby sprawdzić wydajność latarni, autorzy zmierzyli zarówno szczegółowy kształt wychodzącego światła, jak i całkowitą moc, która dotarła do włókna wyjściowego. Używając holografii cyfrowej — techniki rekonstruującej pełny front fali wiązki — zmapowali, jak wejściowe wzorce są redystrybuowane przez latarnię i potwierdzili, że większość energii pozostaje w docelowym zestawie modów. Dla urządzenia 7‑wejściowego zrekonstruowali pełną macierz transmitancji, stwierdzając, że niemal wszystkie obsługiwane wzorce są transmitowane z umiarkowanymi stratami. Gdy latarnie 19‑ i 37‑wejściowe były sprzężone bezpośrednio z włóknem multimodowym, dodatkowa strata na styku wynosiła tylko około pół decybela, co oznacza, że większość światła wychodzącego z latarni wchodzi do włókna. Całkowita transmisja od laserów przez latarnię do włókna utrzymywała się powyżej około 60% nawet dla największego urządzenia, co stanowi wynik konkurencyjny lub lepszy od wyidealizowanych systemów soczewkowych przy znacznie mniejszym śladzie.

Stabilna praca w czasie i przestrzeń do rozwoju

Ponad surową efektywnością, praktyczne systemy laserowe muszą być stabilne. Zespół uruchomił macierz VCSEL wyposażoną w latarnie przez wiele godzin, ściśle kontrolując temperaturę i śledząc moc wyjściową przy różnych prądach zasilania. Zmierzone fluktuacje były znikome — ponad pięćdziesiąt decybeli poniżej średniego sygnału — co wskazuje, że struktury polimerowe i macierz laserowa tworzą trwałe zestawienie. Symulacje i ograniczenia technologii produkcji sugerują, że ten sam sposób projektowania można by rozszerzyć do setek wejściowych laserów wraz z poprawą narzędzi druku 3D, wykorzystując obecny polimer lub bardziej odporny na ciepło materiał przypominający szkło do zastosowań o wyższych mocach.

Co to oznacza dla przyszłych „silników światła”

Mówiąc prościej, praca demonstruje mikroskopijny kombiner światła, który pozwala wielu małym, nieco „nieuporządkowanym” wiązkom laserowym zachowywać się jak jedna jasna, dobrze dostarczona wiązka wewnątrz włókna optycznego, bez polegania na skomplikowanej synchronizacji czy masywnych soczewkach. Poprzez dopasowanie włókna do rzeczywistej zdolności przesyłu informacji źródeł, system zachowuje jasność i efektywnie wykorzystuje moc. Takie fotoniczne latarnie drukowane w 3D mogą stać się kluczowymi elementami budulcowymi przyszłej generacji wysokoenergetycznych laserów światłowodowych, kompaktowych narzędzi przemysłowych i łączy krótkiego zasięgu, gdzie dostarczanie większej ilości światła przy mniejszej liczbie komponentów jest stałym celem.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: macierze VCSEL, fotoniczna latarnia, druk 3D na poziomie nanometrów, włókno multimodowe, łączenie wiązek