Forskning baner vej for forbedrede lasere, kommunikation

Ny fotonikforskning baner vejen for forbedrede lasere, højhastigheds-computing og optisk kommunikation til hæren.

Photonics har potentiale til at transformere alle manerer for elektroniske enheder ved at lagre og transmittere information i form af lys, frem for elektricitet. Brug af lysets hastighed og måden, hvorpå information kan lagvis i dets forskellige fysiske egenskaber, kan øge kommunikationshastigheden og samtidig reducere spild af energi; imidlertid, lyskilder som lasere skal være mindre, stærkere og mere stabil for at opnå det, sagde forskere.

"Single-mode, lasere med høj effekt bruges i en lang række applikationer, der er vigtige for hæren og hjælper med at støtte krigsføreren, herunder optisk kommunikation, optisk sansning og LIDAR -rækkevidde, "sagde Dr. James Joseph, programleder, ARO, et element i den amerikanske hærs udviklingskommando for bekæmpelsesegenskaber, kendt som DEVCOM, Army Research Laboratory. "Forskningsresultaterne fra UPenn markerer et vigtigt skridt i retning af at skabe mere effektive og feltbare laserkilder."

Den måde, hvorpå information kan lagvis med denne teknologi, kan også have vigtige konsekvenser for fotoniske computere og kommunikationssystemer.

Hærfinansierede forskere designede og byggede todimensionale arrays af tætpakkede mikrolasere, der har stabiliteten af ​​en enkelt mikrolaser, men samlet kan opnå strømdensitetsordrer af større størrelse, baner vejen for forbedrede lasere, højhastigheds-computing og optisk kommunikation til hæren.

For at bevare de oplysninger, der manipuleres med en fotonisk enhed, dens lasere skal være usædvanligt stabile og sammenhængende. Såkaldte single-mode lasere eliminerer støjende variationer i deres stråler og forbedrer deres sammenhæng, men som følge heraf, er svagere og mindre kraftfulde end lasere, der indeholder flere samtidige tilstande.

Forskere fra University of Pennsylvania og Duke University, med hærens finansiering, designet og bygget todimensionale arrays af tætpakkede mikro-lasere, der har stabiliteten af ​​en enkelt mikro-laser, men samlet kan opnå effekttæthed størrelsesordener højere. De offentliggjorde en undersøgelse i det peer-reviewed journal Science, der demonstrerede det supersymmetriske mikrolasermatrix.

Robotter og autonome køretøjer, der bruger LiDAR til optisk registrering og rækkevidde, fremstillings- og materialebehandlingsteknikker, der bruger lasere, er nogle af mange andre potentielle anvendelser af denne forskning.

"En tilsyneladende ligetil metode til at opnå en højeffekt, single-mode laser er at koble flere identiske single-mode lasere sammen for at danne et laser array, "sagde Dr. Liang Feng, lektor i afdelingerne for materialevidenskab og teknik og el- og systemteknik ved University of Pennsylvania. "Intuitivt, denne lasermatrix ville have en forbedret emissionseffekt, men på grund af kompleksitetens natur forbundet med et koblet system, det vil også have flere super-modes. Desværre, konkurrencen mellem tilstande gør laserarrayet mindre sammenhængende. "

Kobling af to lasere giver to supermodi, men det tal stiger kvadratisk, efterhånden som lasere er opstillet i de todimensionale gitre, der er øjet til fotonisk sansning og LiDAR-applikationer.

"Drift i enkelt tilstand er kritisk, fordi laser arrayets udstråling og lysstyrke kun stiger med antallet af lasere, hvis de alle er faselåst til en enkelt supermodus, "sagde Xingdu Qiao, doktorand ved University of Pennsylvania. "Inspireret af begrebet supersymmetri fra fysik, vi kan opnå denne form for faselåst single-mode lasing i et laserarray ved at tilføje en dissipativ superpartner. "

I partikelfysik, supersymmetri er teorien om, at alle elementarpartikler i de to hovedklasser, bosoner og fermioner, har en endnu uopdaget superpartner i den anden klasse. De matematiske værktøjer, der forudsiger egenskaberne for hver partikels hypotetiske superpartner, kan også anvendes på egenskaberne af lasere.

Sammenlignet med elementarpartikler, at fremstille en enkelt mikrolasers superpartner er relativt enkelt. Kompleksiteten ligger i at tilpasse supersymmetriens matematiske transformationer til at producere et helt superpartner-array, der har de korrekte energiniveauer til at annullere alt undtagen den ønskede enkeltmodus for originalen.

Forud for denne undersøgelse, super-partner laser arrays kunne kun have været endimensionale, med hver af laserelementerne på linje i en række. Ved at løse de matematiske forhold, der styrer de retninger, som de enkelte elementer kobler til hinanden, denne nye undersøgelse viser en matrix med fem rækker og fem kolonner med mikro-lasere.

"Når det tabende supersymmetriske partnerarray og det originale laserarray er koblet sammen, alle supermodi undtagen den grundlæggende tilstand spredes, resulterer i single-mode lasing med 25 gange effekten og mere end 100 gange effekttætheden af ​​det originale array, "sagde Dr. Zihe Gao, en postdoktor i Fengs program, "Vi forestiller os en meget mere dramatisk effektskalering ved at anvende vores generiske plan for et meget større array, selv i tre dimensioner. Teknikken bag det er den samme."

Undersøgelsen viser også, at teknikken er kompatibel med teamets tidligere forskning om vortexlasere, som præcist kan kontrollere orbital vinkelmoment, eller hvordan en laserstråle spiraler omkring sin rejseakse. Evnen til at manipulere denne egenskab af lys kunne muliggøre fotoniske systemer, der er kodet ved endnu højere densiteter end tidligere forestillet.

"At bringe supersymmetri til todimensionale laserarrays udgør en kraftfuld værktøjskasse til potentielle store integrerede fotoniske systemer, "Sagde Feng.