Nieuw fotonica-onderzoek maakt de weg vrij voor verbeterde lasers, high-speed computing en optische communicatie voor het leger.

Fotonica heeft het potentieel om alle manieren van elektronische apparaten te transformeren door informatie op te slaan en te verzenden in de vorm van licht, in plaats van elektriciteit. Door gebruik te maken van de snelheid van licht en de manier waarop informatie kan worden gelaagd in zijn verschillende fysieke eigenschappen, kan de communicatiesnelheid worden verhoogd terwijl verspilde energie wordt verminderd; echter, lichtbronnen zoals lasers moeten kleiner zijn, sterker en stabieler om dat te bereiken, aldus onderzoekers.

"Single-mode, laser met hoog vermogen wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen die belangrijk zijn voor het leger en die de oorlogsjager helpen ondersteunen, inclusief optische communicatie, optische detectie en LIDAR-bereik, " zei Dr. James Joseph, programma manager, ARO, een onderdeel van het US Army Combat Capabilities Development Command, bekend als DEVCOM, Leger onderzoekslaboratorium. "De onderzoeksresultaten van UPenn markeren een belangrijke stap in de richting van het creëren van efficiëntere en bruikbare laserbronnen."

De manier waarop informatie met deze technologie kan worden gelaagd, kan ook belangrijke implicaties hebben voor fotonische computers en communicatiesystemen.

Door het leger gefinancierde onderzoekers ontwierpen en bouwden tweedimensionale arrays van dicht opeengepakte microlasers die de stabiliteit hebben van een enkele microlaser, maar gezamenlijk een vermogensdichtheid kunnen bereiken die orden van grootte hoger is, de weg vrijmaken voor verbeterde lasers, high-speed computing en optische communicatie voor het leger.

Om de informatie te bewaren die door een fotonisch apparaat wordt gemanipuleerd, zijn lasers moeten uitzonderlijk stabiel en coherent zijn. Zogenaamde single-mode lasers elimineren ruisvariaties binnen hun bundels en verbeteren hun coherentie, maar als gevolg daarvan zijn dimmer en minder krachtig dan lasers die meerdere gelijktijdige modi bevatten.

Onderzoekers van de University of Pennsylvania en Duke University, met geld van het leger, ontworpen en gebouwd tweedimensionale arrays van dicht opeengepakte microlasers die de stabiliteit van een enkele microlaser hebben, maar gezamenlijk een vermogensdichtheid kunnen bereiken die orden van grootte hoger is. Ze publiceerden een studie in het peer-reviewed tijdschrift Science waarin de supersymmetrische micro-laser-array werd aangetoond.

Robots en autonome voertuigen die LiDAR gebruiken voor optische detectie en afstandsbepaling, fabricage- en materiaalverwerkingstechnieken die gebruik maken van lasers, zijn enkele van de vele andere mogelijke toepassingen van dit onderzoek.

"Een schijnbaar eenvoudige methode om een ​​hoog vermogen te bereiken, single-mode laser is om meerdere identieke single-mode lasers aan elkaar te koppelen om een ​​laserarray te vormen, " zei Dr. Liang Feng, universitair hoofddocent bij de afdelingen Materials Science and Engineering en Electrical and Systems Engineering aan de Universiteit van Pennsylvania. "Intuïtief, deze laserarray zou een verbeterd emissievermogen hebben, maar vanwege de complexiteit van een gekoppeld systeem, het zal ook meerdere super-modi hebben. Helaas, de concurrentie tussen modi maakt de laserarray minder coherent."

Het koppelen van twee lasers produceert twee supermodi, maar dat aantal neemt kwadratisch toe naarmate lasers zijn opgesteld in de tweedimensionale rasters die zijn gericht op fotonische detectie en LiDAR-toepassingen.

"De werking in één modus is van cruciaal belang omdat de uitstraling en helderheid van de laserarray alleen toenemen met het aantal lasers als ze allemaal fasevergrendeld zijn in een enkele supermodus, " zei Xingdu Qiao, promovendus aan de Universiteit van Pennsylvania. "Geïnspireerd door het concept van supersymmetrie uit de natuurkunde, we kunnen dit soort fasevergrendelde single-mode laseren in een laserarray bereiken door een dissipatieve superpartner toe te voegen."

In de deeltjesfysica, supersymmetrie is de theorie dat alle elementaire deeltjes van de twee hoofdklassen, bosonen en fermionen, een nog onontdekte superpartner hebben in de andere klas. De wiskundige hulpmiddelen die de eigenschappen van de hypothetische superpartner van elk deeltje voorspellen, kunnen ook worden toegepast op de eigenschappen van lasers.

Vergeleken met elementaire deeltjes, het fabriceren van de superpartner van een enkele microlaser is relatief eenvoudig. De complexiteit ligt in het aanpassen van de wiskundige transformaties van supersymmetrie om een ​​volledige super-partnerarray te produceren die de juiste energieniveaus heeft om alles behalve de gewenste enkelvoudige modus van het origineel te annuleren.

Voorafgaand aan dit onderzoek, laserarrays van superpartners hadden alleen eendimensionaal kunnen zijn, waarbij elk van de laserelementen op een rij is uitgelijnd. Door de wiskundige relaties op te lossen die de richting bepalen waarin de afzonderlijke elementen aan elkaar koppelen, deze nieuwe studie demonstreert een array met vijf rijen en vijf kolommen microlasers.

"Als de supersymmetrische partnerarray met verlies en de originele laserarray aan elkaar worden gekoppeld, alle supermodi behalve de fundamentele modus verdwijnen, resulterend in single-mode laseren met 25 keer het vermogen en meer dan 100 keer de vermogensdichtheid van de originele array, " zei dr. Zihe Gao, een postdoctoraal fellow in het programma van Feng, "We stellen ons een veel dramatischer schaalvergroting voor ogen door ons generieke schema toe te passen voor een veel grotere array, zelfs in drie dimensies. De techniek erachter is hetzelfde."

De studie toont ook aan dat de techniek compatibel is met het eerdere onderzoek van het team naar vortexlasers, die het baanimpulsmoment precies kan regelen, of hoe een laserstraal om zijn bewegingsas spiraliseert. Het vermogen om deze eigenschap van licht te manipuleren zou fotonische systemen mogelijk maken die gecodeerd zijn met nog hogere dichtheden dan eerder gedacht.

"Het brengen van supersymmetrie in tweedimensionale laserarrays vormt een krachtige toolbox voor potentiële grootschalige geïntegreerde fotonische systemen, ' zei Feng.