La nueva investigación fotónica allana el camino para la mejora de los láseres, Computación de alta velocidad y comunicaciones ópticas para el Ejército.

La fotónica tiene el potencial de transformar todas las formas de dispositivos electrónicos al almacenar y transmitir información en forma de luz, en lugar de electricidad. El uso de la velocidad de la luz y la forma en que se puede superponer la información en sus diversas propiedades físicas puede aumentar la velocidad de la comunicación al tiempo que reduce el desperdicio de energía; sin embargo, las fuentes de luz como los láseres deben ser más pequeñas, más fuerte y más estable para lograr eso, dijeron los investigadores.

"Modo singular, El láser de alta potencia se utiliza en una amplia gama de aplicaciones que son importantes para el Ejército y ayudan a apoyar al combatiente, incluidas las comunicaciones ópticas. detección óptica y rango LIDAR, "dijo el Dr. James Joseph, director del programa, ARO, un elemento del Comando de Desarrollo de Capacidades de Combate del Ejército de EE. UU., conocido como DEVCOM, Laboratorio de Investigación del Ejército. "Los resultados de la investigación de UPenn marcan un paso significativo hacia la creación de fuentes de láser más eficientes y fáciles de usar".

La forma en que se puede superponer la información con esta tecnología también podría tener importantes implicaciones para las computadoras fotónicas y los sistemas de comunicación.

Investigadores financiados por el ejército diseñaron y construyeron matrices bidimensionales de micro-láseres muy compactos que tienen la estabilidad de un solo micro-láser, pero que colectivamente pueden alcanzar una densidad de potencia de órdenes de magnitud mayor. allanando el camino para mejores láseres, Computación de alta velocidad y comunicaciones ópticas para el Ejército.

Para preservar la información manipulada por un dispositivo fotónico, sus láseres deben ser excepcionalmente estables y coherentes. Los llamados láseres monomodo eliminan las variaciones ruidosas dentro de sus haces y mejoran su coherencia, pero como resultado, son más tenues y menos potentes que los láseres que contienen múltiples modos simultáneos.

Investigadores de la Universidad de Pensilvania y la Universidad de Duke, con financiación del Ejército, diseñó y construyó matrices bidimensionales de micro-láseres muy compactos que tienen la estabilidad de un solo micro-láser pero que colectivamente pueden alcanzar una densidad de potencia de órdenes de magnitud mayor. Publicaron un estudio en la revista científica Science que demuestra la matriz de micro-láser supersimétrica.

Robots y vehículos autónomos que utilizan LiDAR para detección óptica y alcance, técnicas de fabricación y procesamiento de materiales que utilizan láseres, son algunas de las muchas otras aplicaciones potenciales de esta investigación.

"Un método aparentemente sencillo para lograr una alta potencia, El láser monomodo consiste en acoplar varios láseres monomodo idénticos para formar una matriz de láser, "dijo el Dr. Liang Feng, profesor asociado en los departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales e Ingeniería Eléctrica y de Sistemas de la Universidad de Pennsylvania. "Intuitivamente, esta matriz de láser tendría una potencia de emisión mejorada, pero debido a la naturaleza de la complejidad asociada con un sistema acoplado, también tendrá múltiples supermodos. Desafortunadamente, la competencia entre modos hace que la matriz de láser sea menos coherente ".

El acoplamiento de dos láseres produce dos supermodos, pero ese número aumenta cuadráticamente a medida que los láseres se colocan en las rejillas bidimensionales observadas para la detección fotónica y las aplicaciones LiDAR.

"El funcionamiento en modo único es fundamental porque el resplandor y el brillo de la matriz de láser aumentan con el número de láseres solo si todos están bloqueados en fase en un único supermodo, "dijo Xingdu Qiao, candidato a doctorado en la Universidad de Pennsylvania. "Inspirado en el concepto de supersimetría de la física, podemos lograr este tipo de láser monomodo de fase bloqueada en una matriz de láser agregando un supercompañero disipativo ".

En física de partículas, supersimetría es la teoría de que todas las partículas elementales de las dos clases principales, bosones y fermiones, tener un super-socio aún sin descubrir en la otra clase. Las herramientas matemáticas que predicen las propiedades del hipotético super-socio de cada partícula también se pueden aplicar a las propiedades de los láseres.

Comparado con las partículas elementales, fabricar un super-socio de un solo micro-láser es relativamente simple. La complejidad radica en adaptar las transformaciones matemáticas de la supersimetría para producir una matriz completa de súper socios que tenga los niveles de energía correctos para cancelar todo excepto el modo único deseado del original.

Antes de esta investigación, Las matrices láser de supercompañeros solo podrían haber sido unidimensionales, con cada uno de los elementos láser alineados en una fila. Al resolver las relaciones matemáticas que gobiernan las direcciones en las que los elementos individuales se acoplan entre sí, este nuevo estudio demuestra una matriz con cinco filas y cinco columnas de micro-láseres.

"Cuando la matriz de socios supersimétrica con pérdida y la matriz de láser original se acoplan, todos los supermodos excepto el modo fundamental se disipan, resultando en láser monomodo con 25 veces la potencia y más de 100 veces la densidad de potencia de la matriz original, "dijo el Dr. Zihe Gao, un becario postdoctoral en el programa de Feng, "Prevemos una escala de potencia mucho más espectacular aplicando nuestro esquema genérico para una matriz mucho más grande incluso en tres dimensiones. La ingeniería detrás de esto es la misma".

El estudio también muestra que la técnica es compatible con la investigación anterior del equipo sobre láseres de vórtice, que puede controlar con precisión el momento angular orbital, o cómo un rayo láser gira en espiral alrededor de su eje de viaje. La capacidad de manipular esta propiedad de la luz podría permitir sistemas fotónicos codificados a densidades incluso más altas de lo que se imaginaba anteriormente.

"Llevar supersimetría a matrices láser bidimensionales constituye una potente caja de herramientas para posibles sistemas fotónicos integrados a gran escala, "Dijo Feng.