3B yazdırılmış bir fotonik fener ile multimode VCSEL’lerin büyük ölçekli mekânsal çoklama

Daha küçük bir pakette daha parlak lazer ışığı

Endüstriyel kesicileri çalıştırmaktan ultra‑hızlı internet bağlantılarını beslemeye kadar birçok modern teknoloji, çok miktarda lazer ışığını ince cam fiberler boyunca taşımaya dayanır. Bugün bu genellikle çip üzerindeki birçok küçük lazerin birleştirilip ışıklarının tek bir fiber içine yönlendirilmesi anlamına gelir. Ancak bunu hacimli optikler olmadan verimli biçimde yapmak zordur. Bu çalışma, fotonik fener olarak adlandırılan mikroskobik 3B‑yapıtlının, düzene sokulmuş biçimde onlarca çip‑ölçekli lazerden gelen ışığı toplayıp optik bir fibere besleyebileceğini; ışını parlak tutarken donanımı kompakt tuttuğunu gösteriyor.

Neden birçok küçük lazeri birleştirmek zordur

Dikey boşluk yüzeyinden yayan lazerler (VCSEL’ler) dizileri, ucuz, kompakt ve büyük çapta üretimi kolay oldukları için çekicidir. Böyle bir dizideki her VCSEL tek bir temiz nokta yerine küçük, çok loblu bir ışın üretir ve farklı lazerlerin ışınları senkronize değildir. Geleneksel optikler her kaynağı kollime etmek için küçük lensler ve tümünü kalın bir multimode fibere odaklamak için daha büyük bir lens kullanır. Bu büyük fiber birçok ışık desenini kabul eder; bu da eşleştirmeyi kolaylaştırır ama enerjiyi daha geniş bir alana ve açıya yayarak uzak hedefe ulaştırılabilecek toplam parlaklığı azaltır.

Karmaşık ışık için mikroskobik bir huni

Araştırmacılar, karmaşık ışık için üç boyutlu bir huni görevi gören yeni tip bir fotonik fener tasarladılar. Mükemmel temiz tek modlu girişlerden başlamak yerine, fenerleri her VCSEL’den gelen birkaç mekânsal deseni zaten taşıyan girişleri kabul ediyor. Gelişmiş bilgisayar simülasyonları ve bir genetik optimizasyon algoritması kullanarak, onlarca küçük dalga kılavuzunun eğrilerini ve incelmelerini, 37’ye kadar multimode lazerden gelen ışığın kademeli olarak aynı toplam desen sayısını destekleyen multimode fibere eşlenen tek bir dalga kılavuza karışacak şekilde şekillendirdiler. Bu nazik, adiyabatik geçiş istenen desenlerde enerjinin korunması ve kayıpların önlenmesi için anahtar önemdedir.

Lazerlere doğrudan optik yazdırmak

Bu karmaşık yapıları üretmek için ekip, alt‑mikron hassasiyetle şekillendirilebilen bir polimer ile iki‑foton 3B nanoyazdırma kullandı. Ticari VCSEL dizilerinin köşelerine doğrudan 7, 19 veya 37 lazer girişini idare eden üç fener tasarımı yazdırdılar. Her fener sadece birkaç yüz mikrometre uzunluğunda, bir toz tanesinden daha küçük, ancak standart 50 mikrometre çekirdekli cam fibere uyacak şekilde hafifçe açılan tek bir çıkışa doğru bir araya gelen dikkatle düzenlenmiş kıvrımlı dalga kılavuzları ormanı içeriyor. Elektron mikroskobu görüntüleri, yazdırılmış fenerlerin lazer açıklıklarıyla temizce hizalandığını ve düşük kayıp kılavuzlama için gereken düzgün, iyi tanımlanmış şekilleri koruduğunu doğruluyor.

Işın kalitesi ve güç iletimini test etme

Fenerlerin performansını görmek için yazarlar hem çıkan ışığın ayrıntılı şeklini hem de çıkış fiberine ulaşan toplam gücü ölçtüler. Işının tam dalga cephesini yeniden yapılandıran bir teknik olan dijital holografi kullanarak, giriş desenlerinin fener tarafından nasıl yeniden dağıtıldığını haritaladılar ve enerjinin çoğunun hedef mod seti içinde kaldığını doğruladılar. 7‑girişli aygıt için tam transfer matrisini yeniden yapılandırdılar ve desteklenen desenlerin neredeyse tamamının makul kayıpla iletildiğini buldular. 19 ve 37 girişli fenerler bir multimode fibere doğrudan eklenince arayüzdeki ek kayıp yalnızca yaklaşık yarım desibel oldu; bu, fenerden çıkan ışığın çoğunun fibere girdiği anlamına gelir. Genel iletim, en büyük aygıt için bile fener ve fiber üzerinden lazerlere kadar yaklaşık %60’ın üzerinde kaldı; bu, idealize lens‑tabanlı sistemlerle rekabetçi veya daha iyi olup çok daha küçük bir ayak izi kullanıyor.

Zamana karşı kararlı performans ve büyüme potansiyeli

Ham verimliliğin ötesinde, pratik lazer sistemleri kararlı olmalı. Ekip, fenerle donatılmış VCSEL dizisini sıkı sıcaklık kontrolü altında saatlerce sürekli çalıştırdı ve farklı sürücü akımlarında çıkış gücünü izledi. Ölçülen dalgalanmalar çok küçüktü — ortalama sinyalden elli desibelden fazla daha düşük — bu da polimer yapılar ile lazer dizisinin sağlam bir paket oluşturduğunu gösteriyor. Simülasyonlar ve üretim sınırları, 3B yazdırma araçları geliştikçe aynı tasarım yaklaşımının yüzlerce girişli lazerlere kadar genişletilebileceğini; mevcut polimer veya daha yüksek güçler için daha ısı‑dayanıklı cam benzeri malzemelerin kullanılabileceğini düşündürüyor.

Geleceğin ışık motorları için anlamı

Gündelik terimlerle, bu çalışma birçok küçük, biraz dağınık lazer ışınının komplike senkronizasyona veya hacimli lenslere ihtiyaç duymadan optik fiber içinde tek parlak, iyi iletilen bir ışın gibi davranmasını sağlayan mikroskobik bir ışık birleştirici gösteriyor. Fiberin kaynakların gerçek bilgi‑taşıma kapasitesine uyum sağlamasıyla sistem parlaklığı koruyor ve gücü verimli kullanıyor. Bu tür 3B‑yazdırılmış fotonik fenerler, daha az donanımla daha fazla ışık iletmenin sürekli amaç olduğu yüksek güçlü fiber lazerler, kompakt endüstriyel aletler ve kısa menzilli veri bağlantıları için bir sonraki nesil temel yapı taşları haline gelebilir.

Atıf: 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

Anahtar kelimeler: VCSEL dizileri, fotonik fener, 3B nanoyazdırma, multimode fiber, ışın birleştirme