Ny fotonikforskning banar väg för förbättrade lasrar, höghastighetsberäkning och optisk kommunikation för armén.

Photonics har potential att omvandla alla sätt för elektroniska enheter genom att lagra och överföra information i form av ljus, snarare än el. Genom att använda ljusets hastighet och hur information kan lagras i dess olika fysiska egenskaper kan det öka kommunikationshastigheten samtidigt som slösad energi minskar; dock, ljuskällor som lasrar måste vara mindre, starkare och mer stabil för att uppnå det, sa forskare.

"Singelläge, laser med hög effekt används i ett brett spektrum av applikationer som är viktiga för armén och hjälper till att stödja krigsmannen inklusive optisk kommunikation, optisk avkänning och LIDAR -intervall, "sa doktor James Joseph, programansvarig, ARO, en del av den amerikanska armén Combat Capabilities Development Command, känd som DEVCOM, Arméforskningslaboratorium. "Forskningsresultaten från UPenn är ett viktigt steg mot att skapa mer effektiva och fältbara laserkällor."

Hur information kan lagras med denna teknik kan också ha viktiga konsekvenser för fotoniska datorer och kommunikationssystem.

Arméfinansierade forskare designade och byggde tvådimensionella uppsättningar av tätt packade mikrolasrar som har stabiliteten hos en enda mikrolaser men kollektivt kan uppnå effektdensitetsordningar av större storlek, banar väg för förbättrade lasrar, höghastighetsberäkning och optisk kommunikation för armén.

För att bevara informationen som manipuleras av en fotonisk enhet, dess lasrar måste vara exceptionellt stabila och sammanhängande. Så kallade single-mode lasrar eliminerar bullriga variationer inom sina strålar och förbättrar deras sammanhang, men som ett resultat, är svagare och mindre kraftfulla än lasrar som innehåller flera samtidiga lägen.

Forskare från University of Pennsylvania och Duke University, med arméfinansiering, designade och byggda tvådimensionella matriser med tätt packade mikrolasrar som har stabiliteten hos en enda mikrolaser men kollektivt kan uppnå effektdensitetsordningar av större storlek. De publicerade en studie i den vetenskapliga granskade tidskriften Science som demonstrerade den supersymmetriska mikrolasermatrisen.

Robotar och autonoma fordon som använder LiDAR för optisk avkänning och räckvidd, tillverknings- och materialbearbetningsteknik som använder lasrar, är några av många andra potentiella tillämpningar av denna forskning.

"En till synes enkel metod för att uppnå en högeffektiv, enlägeslaser är att koppla ihop flera identiska enkelmodslasrar tillsammans för att bilda en lasermatris, "sade Dr Liang Feng, docent vid institutionerna för materialvetenskap och teknik och el- och systemteknik vid University of Pennsylvania. "Intuitivt, denna lasermatris skulle ha en förbättrad emissionseffekt, men på grund av komplexiteten hos ett kopplat system, det kommer också att ha flera superlägen. Tyvärr, konkurrensen mellan lägen gör lasermatrisen mindre sammanhängande. "

Koppling av två lasrar ger två superlägen, men det antalet ökar kvadratiskt när lasrar är uppsatta i de tvådimensionella rutnäten som är avsedda för fotonisk avkänning och LiDAR-applikationer.

"Enkel drift är avgörande eftersom utstrålningen och ljusstyrkan hos lasermatrisen ökar med antalet lasrar endast om de alla är faslåsta till ett enda superläge, "sa Xingdu Qiao, doktorand vid University of Pennsylvania. "Inspirerad av konceptet supersymmetri från fysik, vi kan åstadkomma denna typ av faslåst enkelmodslasning i en lasermatris genom att lägga till en dissipativ superpartner. "

Inom partikelfysik, supersymmetri är teorin om att alla elementära partiklar i de två huvudklasserna, bosoner och fermioner, har en ännu oupptäckt superpartner i den andra klassen. De matematiska verktygen som förutsäger egenskaperna hos varje partikels hypotetiska superpartner kan också tillämpas på lasers egenskaper.

Jämfört med elementära partiklar, att tillverka en enda mikrolasers superpartner är relativt enkelt. Komplexiteten ligger i att anpassa supersymmetriens matematiska transformationer för att producera en hel superpartner-array som har rätt energinivåer för att avbryta alla utom det önskade enkla läget för originalet.

Innan denna forskning, superpartner-laseruppsättningar kunde bara ha varit endimensionella, med vart och ett av laserelementen inriktade i rad. Genom att lösa de matematiska relationer som styr de riktningar som de enskilda elementen kopplar till varandra, denna nya studie visar en uppsättning med fem rader och fem kolumner med mikrolasrar.

"När den förlorande supersymmetriska partnermatrisen och den ursprungliga lasermatrisen är kopplade ihop, alla superlägen förutom grundläget försvinner, vilket resulterar i enkelmodslasning med 25 gånger effekten och mer än 100 gånger effekttätheten för den ursprungliga matrisen, "sa Dr Zihe Gao, en postdoktor i Fengs program, "Vi ser för oss en mycket mer dramatisk effektskalning genom att tillämpa vårt generiska system för en mycket större uppsättning även i tre dimensioner. Tekniken bakom är densamma."

Studien visar också att tekniken är kompatibel med teamets tidigare forskning om virvellasrar, som exakt kan styra orbitalt vinkelmoment, eller hur en laserstråle spiraler runt sin rörelseaxel. Möjligheten att manipulera denna ljusegenskap kan möjliggöra fotoniska system som kodas med ännu högre densiteter än tidigare tänkt.

"Att föra supersymmetri till tvådimensionella laseruppsättningar utgör en kraftfull verktygslåda för potentiella storskaliga integrerade fotoniska system, "Sa Feng.