К Песах Бенсон • 11 марта 2026 г. Иерусалим, 11 марта 2026 г. (TPS-IL) — Израильские ученые разработали микроскопическое оптическое устройство, которое может объединять свет от десятков небольших полупроводниковых лазеров в один оптический волокно с минимальными потерями энергии, что потенциально упрощает системы мощных лазеров, оптические коммуникации, а также системы зондирования и визуализации.
Команда исследователей из Еврейского университета в Иерусалиме под руководством аспиранта Йоава Даны и профессора Дэна М. Марома из Института прикладной физики университета создала крошечное 3D-печатное устройство, известное как фотонный рупор (photonic lantern), которое может объединять свет от множества лазеров в одно многомодовое оптическое волокно, сохраняя при этом яркость. Их главным прорывом стало доказательство того, что устройство может эффективно объединять свет от лазеров, излучающих несколько пространственных мод, чего не могли сделать предыдущие конструкции фотонных рупоров.
В оптическом волокне свет не всегда распространяется как один узкий луч. Вместо этого он может двигаться по волокну различными узорами по его поперечному сечению. Эти узоры называются пространственными модами. В одномодовом волокне может распространяться только один узор света, в то время как в многомодовом волокне одновременно могут двигаться несколько узоров, каждый из которых проходит по волокну по немного отличающемуся пути. Распространенная аналогия сравнивает пространственные моды с полосами движения в туннеле: узкий туннель допускает только одну полосу движения, а более широкий туннель — несколько полос, причем каждая полоса представляет собой отдельную пространственную моду, несущую свет через волокно.
Системы мощных лазеров часто полагаются на объединение света от множества меньших лазеров для достижения большей выходной мощности. Однако эффективное соединение этих источников с волокном долгое время представляло техническую проблему, особенно когда лазеры излучают свет в нескольких пространственных модах. Традиционные фотонные рупоры были разработаны для одномодовых входов, что делало их плохо подходящими для многомодового света, производимого массивами вертикально-излучающих лазеров с поверхностным эмиттером (VCSEL), которые широко используются в оптических коммуникациях, системах зондирования и промышленных лазерах высокой мощности.
Команда Еврейского университета решила эту проблему, разработав новый тип многомодового фотонного рупора, который позволяет множеству многомодовых лазерных источников плавно объединяться в одно многомодовое волокно через тщательно спроектированный оптический переход.
Изображение микроскопического фотонного рупора, напечатанного непосредственно на чипе VCSEL. Кредит: Йоав Дана/TPS-IL
В экспериментах ученые продемонстрировали устройства, способные объединять 7, 19 и даже 37 лазеров VCSEL в одно волокно. Поскольку каждый лазер производит несколько пространственных мод света, система смогла поддерживать до 222 пространственных мод в общей сложности.
Несмотря на объединение десятков лазерных входов, устройства оставались чрезвычайно маленькими. Вся структура фотонного рупора имеет длину менее полумиллиметра, что на много порядков меньше, чем у традиционных систем оптического мультиплексирования, использующих линзы и более крупные оптические сборки.
Устройства также сохраняли высокую эффективность: потери при соединении составляли всего около 0,6 децибел для устройства с 19 входами и около 0,8 децибел для версии с 37 входами.
Новые фотонные рупоры способны трансформировать системы мощных лазеров, объединяя выходную мощность множества небольших лазеров в одно волокно, создавая мощные, концентрированные лучи в гораздо меньшем и более компактном устройстве, чем традиционные системы. Их микроскопический размер и высокая эффективность делают их идеальными для применений, где пространство ограничено, позволяя создавать портативные или миниатюрные лазерные технологии, которые по-прежнему обеспечивают значительную оптическую мощность.
Фотонные рупоры могут значительно увеличить пропускную способность оптоволоконных сетей и способствовать прогрессу в области оптических коммуникаций, зондирования и научных исследований. Они поддерживают более точные измерения в медицинской визуализации, LiDAR для автономных транспортных средств и робототехники, а также могут захватывать и направлять сложные источники света в астрономии.
Исследование, финансируемое Управлением инноваций Израиля и проведенное совместно с израильской компанией Civan Lasers, было опубликовано в рецензируемом журнале Nature Communications.
Связанные темы
