Multiplexação espacial em grande escala de VCSELs multimodo com um photonic lantern impresso em 3D

Luz laser mais intensa em um pacote menor

De alimentar cortadores industriais a impulsionar links de internet ultrarrápidos, muitas tecnologias modernas dependem de transportar grande quantidade de luz laser por finos fios de vidro. Hoje isso frequentemente significa juntar muitos lasers minúsculos em um chip e canalizar sua luz para uma única fibra. Mas fazer isso com eficiência sem ótica volumosa é difícil. Este estudo mostra como uma estrutura microscópica impressa em 3D, chamada photonic lantern, pode reunir de forma organizada a luz de dezenas de lasers em escala de chip e alimentá‑la em uma fibra óptica, mantendo o feixe brilhante e o hardware compacto.

Por que é difícil combinar muitos lasers pequenos

Arrays de lasers de emissão por superfície e cavidade vertical (VCSELs) são atraentes porque são baratos, compactos e fáceis de fabricar em grande número. Cada VCSEL em tal matriz produz um feixe pequeno e com múltiplos lobos, em vez de um ponto limpo único, e os feixes de diferentes lasers não estão sincronizados. A ótica convencional usa lentes minúsculas para colimar cada fonte e uma lente maior para focalizar todas dentro de uma fibra multimodo grossa. Essa fibra grande aceita muitos padrões espaciais de luz, o que facilita o acoplamento, mas espalha a energia por uma área e ângulo maiores, reduzindo o brilho geral que pode ser entregue a um alvo distante.

Um funil microscópico para luz complexa

Os pesquisadores projetaram um novo tipo de photonic lantern que atua como um funil tridimensional para luz complexa. Em vez de partir de muitas entradas perfeitamente limpas e monomodo, a lantern aceita entradas que já carregam vários padrões espaciais de cada VCSEL. Usando simulações computadorizadas avançadas e um algoritmo genético de otimização, eles modelaram as curvas e afunilamentos de dezenas de minúsculos guias de onda de modo que a luz de até 37 lasers multimodo se funda gradualmente em um único guia de onda compatível com uma fibra multimodo que suporta o mesmo número total de padrões. Essa transição suave e adiabática é essencial para manter a energia nos padrões desejados e evitar perdas.

Imprimindo óptica diretamente no chip do laser

Para fabricar essas estruturas intrincadas, a equipe usou nanoprinting 3D por dois fótons com um polímero que pode ser esculpido com precisão sub‑micrométrica. Eles imprimiram três desenhos de lanternas—para 7, 19 ou 37 entradas de laser—diretamente nos cantos de matrizes comerciais de VCSELs. Cada lantern tem apenas algumas centenas de micrômetros de comprimento, menor que um grão de poeira, mas contém uma floresta cuidadosamente arranjada de guias de onda curvos que convergem em uma única saída ligeiramente alargada dimensionada para corresponder a uma fibra de núcleo de vidro padrão de 50 micrômetros. Imagens em microscópio eletrônico confirmam que as lanternas impressas se alinham limpidamente com as aberturas dos lasers e mantêm formas suaves e bem definidas necessárias para orientação com baixa perda.

Testando a qualidade do feixe e a entrega de potência

Para avaliar o desempenho das lanternas, os autores mediram tanto a forma detalhada da luz que emerge quanto a potência total que alcança a fibra de saída. Usando holografia digital—uma técnica que reconstrói a frente de onda completa do feixe—eles mapearam como os padrões de entrada são redistribuídos pela lantern e confirmaram que a maior parte da energia permanece dentro do conjunto alvo de modos. Para o dispositivo de 7 entradas, reconstruíram a matriz de transferência completa, encontrando que quase todos os padrões suportados são transmitidos com perda modesta. Quando as lanternas de 19 e 37 entradas foram acopladas por contato a uma fibra multimodo, a perda extra na interface foi de apenas cerca de meio decibel, significando que a maior parte da luz que sai da lantern entra na fibra. A transmissão total das fontes através da lantern e para a fibra permaneceu melhor que cerca de 60% mesmo para o maior dispositivo, competitiva com ou superior a sistemas idealizados baseados em lentes enquanto ocupa uma área muito menor.

Desempenho estável ao longo do tempo e espaço para crescer

Além da eficiência bruta, sistemas a laser práticos precisam ser estáveis. A equipe operou a matriz de VCSEL equipada com lanternas continuamente por horas enquanto controlava rigorosamente a temperatura, monitorando a potência de saída em diferentes correntes de acionamento. As flutuações medidas foram mínimas—mais de cinquenta decibéis abaixo do sinal médio—indicando que as estruturas poliméricas e a matriz de lasers formam um pacote robusto. Simulações e limites de fabricação sugerem que a mesma abordagem de projeto poderia ser estendida a centenas de lasers de entrada à medida que as ferramentas de impressão 3D melhorarem, usando seja o polímero atual ou materiais mais tolerantes ao calor, semelhantes ao vidro, para potências mais altas.

O que isso significa para motores de luz futuros

Em termos práticos, o trabalho demonstra um combinador de luz microscópico que permite que muitos feixes laser pequenos e um tanto desordenados se comportem como um único feixe brilhante e bem entregue dentro de uma fibra óptica, sem depender de sincronização complicada ou lentes volumosas. Ao casar a fibra com a verdadeira capacidade de transporte de informação das fontes, o sistema preserva o brilho e usa a potência de forma eficiente. Tais photonic lanterns impressas em 3D podem se tornar blocos de construção-chave para lasers de fibra de alta potência de próxima geração, ferramentas industriais compactas e links de dados de curta distância, onde entregar mais luz com menos hardware é um objetivo contínuo.

Citação: 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

Palavras-chave: matrizes de VCSEL, photonic lantern, nanoprinting 3D, fibra multimodo, combinação de feixes