Storskalig rumslig multiplexering av multimodiga VCSEL:er med en 3D‑printad fotonisk lykta

Ljusstarkare laserljus i ett mindre paket

Från att driva industrisvarvar till att driva ultravsnabba internetlänkar förlitar sig många moderna tekniker på att föra stora mängder laserljus genom tunna glasfiber. I dag innebär det ofta att man sammanfogar många små lasrar på ett chip och leder ljuset in i en enda fiber. Att göra detta effektivt utan skrymmande optik är dock svårt. Denna studie visar hur en mikroskopisk 3D‑printad struktur, kallad en fotonisk lykta, prydligt kan samla ljus från dussintals chip‑skaliga lasrar och mata det in i en optisk fiber samtidigt som strålen hålls ljusstark och hårdvaran kompakt.

Varför det är svårt att kombinera många små lasrar

Arrayer av vertikal‑kavitets ytemitterande lasrar (VCSEL:er) är attraktiva eftersom de är billiga, kompakta och lätta att tillverka i stora volymer. Varje VCSEL i en sådan array producerar en liten, flerflikig stråle snarare än en enda ren punkt, och strålarna från olika lasrar är inte synkroniserade. Konventionell optik använder små linser för att kollimera varje källa och en större lins för att fokusera alla in i en tjock multimodfiber. Den stora fibern accepterar många ljusmönster, vilket gör kopplingen enkel men sprider energin över ett större område och vinkel, vilket minskar den totala ljusstyrkan som kan levereras till ett avlägset mål.

En mikroskopisk tratt för komplext ljus

Forskarna designade en ny typ av fotonisk lykta som fungerar som en tredimensionell tratt för komplext ljus. Istället för att utgå från många perfekt rena enmodiga ingångar accepterar deras lykta ingångar som redan bär flera rumsliga mönster från varje VCSEL. Med avancerade datasimuleringar och en genetisk optimeringsalgoritm formade de kurvorna och taperingarna hos dussintals små vågledare så att ljus från upp till 37 multimodiga lasrar gradvis smälter samman till en enda vågledare anpassad till en multimodfiber som stöder samma totala antal mönster. Denna skonsamma, adiabatiska övergång är avgörande för att bevara energi i önskade mönster och undvika förluster.

Printad optik direkt på laserschipet

För att skapa dessa intrikata strukturer använde teamet tvåfotoners 3D‑nanoprintning med en polymer som kan skulpteras med submikronprecision. De printade tre lyktdesigner—för 7, 19 eller 37 laseringångar—direkt på hörnen av kommersiella VCSEL‑arrayer. Varje lykta är bara några hundra mikrometer lång, mindre än ett dammkorn, men innehåller en noggrant ordnad skog av böjda vågledare som samlas i en enda, lätt utvidgad utgång anpassad till en standard glasfiber med 50 mikrometer kärna. Bilder från svepelektronmikroskop bekräftar att de printade lyktorna ligger i linje med laseröppningarna och upprätthåller jämna, väl definierade former som krävs för lågförluststyrning.

Test av strålkvalitet och effektleverans

För att se hur väl lyktorna presterar mätte författarna både den detaljerade formen på det framväxande ljuset och den totala effekten som nådde utgångsfibern. Med digital holografi—en teknik som rekonstruerar strålens fulla vågfront—kartlade de hur ingångsmönster omfördelas av lyktan och bekräftade att större delen av energin stannar inom målgruppen av moder. För enheten med 7 ingångar rekonstruerade de hela överföringsmatrisen och fann att nästan alla stödjade mönster överförs med måttliga förluster. När 19‑ och 37‑ingångslyktorna butt‑kopplades till en multimodfiber var den extra förlusten vid gränssnittet endast omkring en halv decibel, vilket innebär att det mesta av ljuset som lämnar lyktan går in i fibern. Den totala transmissionen från lasrar genom lykta och in i fiber förblev bättre än omkring 60 % även för den största enheten, konkurrenskraftigt med eller bättre än idealiserade linsbaserade system samtidigt som fotavtrycket var mycket mindre.

Stabil prestanda över tid och utrymme för tillväxt

Bortom rå effektivitet måste praktiska lasersystem vara stabila. Teamet körde VCSEL‑arrayen utrustad med lyktor kontinuerligt i flera timmar under noggrann temperaturkontroll och följde uteffekten vid olika drivströmmar. De uppmätta fluktuationerna var mikroskopiska—mer än femtio decibel under signalsnittet—vilket indikerar att polymerstrukturerna och laserarrayen bildar ett robust paket. Simuleringar och tillverkningsbegränsningar tyder på att samma designansats kan utsträckas till hundratals ingångslasrar i takt med att 3D‑printverktyg förbättras, antingen med dagens polymer eller med mer värmetåliga glaslika material för högre effekter.

Vad detta betyder för framtidens ljusmotorer

I vardagliga termer demonstrerar arbetet en mikroskopisk ljussamlare som låter många små, något ostädade laserstrålar bete sig som en enda ljusstark, väl levererad stråle inuti en optisk fiber, utan att förlita sig på komplicerad synkronisering eller skrymmande linser. Genom att matcha fibern till källornas verkliga informationsbärande kapacitet bevarar systemet ljusstyrka och använder effekten effektivt. Sådana 3D‑printade fotoniska lyktor kan bli nyckelkomponenter för nästa generations högeffekts fiberlasrar, kompakta industriverktyg och kortdistans datalänkar, där målet ständigt är att leverera mer ljus med mindre hårdvara.

Citering: 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

Nyckelord: VCSEL‑arrayer, fotonisk lykta, 3D‑nanoprintning, multimodfiber, strålsammanslagning