利用3D打印光子灯笼实现多模VCSEL的大规模空间复用

更亮的激光光在更小的封装中

从为工业切割机供能到驱动超高速互联网链路，许多现代技术都依赖于将大量激光光输送通过细长的玻璃光纤。如今这通常意味着在芯片上拼接许多微小激光器并将它们的光汇聚到单根光纤中。但在不使用笨重光学元件的情况下高效完成这件事非常困难。本研究展示了一种微观的 3D 打印结构，称为光子灯笼，它可以整齐地收集数十个芯片级激光器的光并将其送入光纤，同时保持光束亮度并使硬件保持紧凑。

为何将许多小激光器合并很困难

垂直腔面发射激光器（VCSEL）阵列具有成本低、体积小、易于大规模制造的优点。阵列中每个 VCSEL 发出的通常不是单一干净的光斑，而是带有多个瓣的光束，而且不同激光器的光束之间并不同步。传统光学系统用微小透镜将每个光源准直，然后用更大的透镜将它们全部聚焦到一根粗的多模光纤中。那根大光纤可以接受许多光的模式，这使耦合变得容易，但会把能量分散在更大的面积和角度范围内，从而降低能传递到远处目标的整体亮度。

为复杂光设计的微观漏斗

研究人员设计了一种新型光子灯笼，充当复杂光的三维漏斗。与其从许多完美的单模输入开始，他们的灯笼接受的是来自每个 VCSEL 已经携带若干空间模式的输入。通过先进的计算模拟和遗传优化算法，他们塑形了数十根微小波导的曲线与锥度，使来自多达 37 个多模激光器的光逐步汇聚到与一根多模光纤匹配的单一波导上，该光纤支持相同总数的模式。这种温和的、绝热的过渡是将能量保留在目标模式并避免损耗的关键。

直接在激光芯片上打印光学元件

为了制造这些复杂结构，团队采用了基于双光子吸收的 3D 纳米打印，使用一种可雕刻达到亚微米精度的聚合物。他们在商用 VCSEL 阵列的角落上直接打印了三种灯笼设计——分别处理 7、19 和 37 个激光输入。每个灯笼只有几百微米长，比一粒灰尘还小，但包含一片精心排列的弯曲波导“丛林”，这些波导汇聚成一个稍微张开的输出，其尺寸匹配标准的 50 微米芯径玻璃光纤。电子显微镜图像证实，打印出的灯笼与激光孔径对齐良好，并保持了用于低损耗导引所需的平滑且轮廓清晰的形状。

测试束质量和功率传输

为评估灯笼的性能，作者测量了出射光的详细形态以及到达输出光纤的总功率。利用数字全息技术——一种重建光束完整波前的手段——他们绘制了输入模式被灯笼如何重新分布的图谱，并确认大部分能量停留在目标模式集合内。对于 7 输入器件，他们重构了完整的传输矩阵，发现几乎所有受支持的模式都以适度损耗被传输。当 19 和 37 输入的灯笼与多模光纤直接对接时，界面处的附加损耗仅约半分贝，意味着从灯笼输出的大部分光进入了光纤。总体从激光器经灯笼进入光纤的传输即便在最大器件上仍保持在约 60% 以上，与理想化的透镜系统相比具有竞争力或更好，同时占用的空间更小。

随时间保持稳定并有扩展空间

除了原始效率，实用激光系统还必须稳定。团队在严格控制温度的同时，让配备灯笼的 VCSEL 阵列连续运行数小时，并跟踪不同驱动电流下的输出功率。测得的波动极小——比平均信号低超过五十分贝——表明聚合物结构与激光阵列组成了一个稳健的封装。模拟结果和制造极限表明，随着 3D 打印工具的改进，同样的设计方法可以扩展到数百个输入激光器，使用当前聚合物或更耐热的类玻璃材料以应对更高功率。

这对未来光源意味着什么

通俗地说，这项工作展示了一个微观的光合成器，使许多小而略显“凌乱”的激光束在光纤内部表现得像一束明亮且传输良好的光，而无需复杂的同步或笨重的透镜。通过让光纤与光源的真实信息承载能力相匹配，系统保留了亮度并高效利用功率。这类 3D 打印光子灯笼有望成为下一代高功率光纤激光器、紧凑型工业工具和短距离数据链路的关键构件，在“用更少的硬件传递更多光”这一目标上具有持续吸引力。

引用: 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

关键词: VCSEL 阵列, 光子灯笼, 3D纳米打印, 多模光纤, 束合成