Масштабное пространственное мультиплексирование многомодовых VCSEL с 3D-печатным фотонным фонарём

Более яркий лазерный свет в компактном корпусе

От питания промышленных резаков до передачи сверхбыстрых интернет‑соединений — многие современные технологии требуют передачи большого количества лазерного света через тонкие стеклянные волокна. Сегодня это часто означает объединение множества крошечных лазеров на чипе и направление их света в одно волокно. Сделать это эффективно без громоздкой оптики сложно. В работе показано, как микроскопическая 3D‑напечатанная структура, называемая фотонным фонарём, аккуратно собирает свет с десятков чип‑уровневых лазеров и подаёт его в оптическое волокно, сохраняя при этом яркость луча и компактность устройства.

Почему объединять много маленьких лазеров сложно

Массивы вертикально‑резонаторных поверхностно‑излучающих лазеров (VCSEL) привлекательны тем, что они недорогие, компактные и легко производятся в больших количествах. Каждый VCSEL в таком массиве формирует небольшой, многолопастный пучок, а не один чистый пятно, и пучки от разных лазеров не синхронизированы. Обычная оптика использует крошечные линзы для коллимирования каждого источника и большую линзу для фокусировки всех их в толстое многомодовое волокно. Такое крупное волокно принимает множество распределений света, что облегчает сопряжение, но распределяет энергию по большей площади и углу, снижая суммарную яркость, которую можно доставить на удалённую цель.

Микроскопический воронкообразный приемник для сложного света

Исследователи разработали новый тип фотонного фонаря, который действует как трёхмерная воронка для сложного светового поля. Вместо того чтобы начинать с множества идеально чистых одномодовых входов, их фонарь принимает входы, которые уже содержат несколько пространственных паттернов от каждого VCSEL. С помощью продвинутых компьютерных симуляций и генетического алгоритма оптимизации они задали формы изгибов и сужений десятков крошечных волноводов так, чтобы свет от до 37 многомодовых лазеров постепенно сливался в единый волновод, согласованный с многомодовым волокном, поддерживающим такое же суммарное число мод. Это мягкое, адиабатическое переходное сечение — ключ к удержанию энергии в целевых модах и минимизации потерь.

Печать оптики прямо на чипе лазера

Для изготовления этих сложных структур команда использовала двухфотонную 3D‑нанопечать полимером, который можно обрабатывать с субмикронной точностью. Они напечатали три дизайна фонарей — на 7, 19 и 37 входов — непосредственно в углах коммерческих массивов VCSEL. Каждый фонарь имеет длину всего несколько сотен микрометров, меньше пылинки, но содержит тщательно расположенный «лес» изогнутых волноводов, сходящихся в один слегка расширенный выход, подобранный по размеру к стандартному стекловолокну с сердечником 50 микрометров. Снимки в электронном микроскопе подтверждают, что напечатанные фонари точно выровнены по апертурам лазеров и сохраняют гладкие, чётко очерченные формы, необходимые для низкопотерь проводимости.

Тестирование качества пучка и передачи мощности

Чтобы оценить работу фонарей, авторы измерили как детальную структуру выходящего света, так и общую мощность, достигшую выходного волокна. С помощью цифровой голографии — метода восстановления полного волнового фронта пучка — они картировали, как входные паттерны перераспределяются фонарём, и подтвердили, что большая часть энергии остаётся в целевом наборе мод. Для устройства на 7 входов они восстановили полную матрицу передачи, обнаружив, что практически все поддерживаемые паттерны передаются с умеренными потерями. При состыковке фонарей на 19 и 37 входов с многомодовым волокном дополнительная потеря на интерфейсе составила всего около половины децибела, то есть большая часть света, выходящего из фонаря, попадает в волокно. Общая передача от лазеров через фонарь и в волокно оставалась лучше примерно 60% даже для самого крупного устройства, что сопоставимо или лучше идеализированных систем на основе линз при значительно меньшем занимаемом объёме.

Стабильная работа с течением времени и потенциал для масштабирования

Кроме чистой эффективности, практические лазерные системы должны быть стабильны. Команда работала с массивом VCSEL, оснащённым фонарями, непрерывно в течение нескольких часов при строгом контроле температуры, отслеживая выходную мощность при разных токах управления. Измеренные флуктуации оказались ничтожно малы — более чем на пятьдесят децибел ниже среднего сигнала — что указывает на то, что полимерные структуры и лазерный массив образуют прочный пакет. Моделирование и ограничения производства предполагают, что тот же подход к дизайну можно расширить до сотен входных лазеров по мере совершенствования инструментов 3D‑печати, используя либо текущий полимер, либо более термостойкие стеклоподобные материалы для более высоких мощностей.

Что это значит для будущих источников света

Проще говоря, работа демонстрирует микроскопический комбайнер света, который позволяет множеству небольших, отчасти неряшливых лазерных пучков вести себя как один яркий, хорошо доставляемый пучок внутри оптического волокна, без необходимости сложной синхронизации или громоздких линз. Согласуя волокно с реальной информационно‑несущей ёмкостью источников, система сохраняет яркость и эффективно использует мощность. Такие 3D‑напечатанные фотонные фонари могут стать ключевыми строительными блоками для следующего поколения мощных волоконных лазеров, компактных промышленных инструментов и короткодистанционных каналов передачи данных, где цель — доставлять больше света при меньшем объёме аппаратуры.

Цитирование: 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

Ключевые слова: массивы VCSEL, фотонный фонарь, 3D нанопечать, многомодовое волокно, объединение лучей