新的光子學(xué)研究為改進(jìn)激光，高速計(jì)算和光通信鋪平了道路。

通過光的形式，而不是電的形式來存儲和傳輸信息，光子學(xué)有潛力改變所有形式的電子設(shè)備。利用光的速度和信息在其各種物理屬性中的分層方式，可以提高通信速度，同時減少能源浪費(fèi)；但是，研究人員說，激光等光源需要更小、更強(qiáng)、更穩(wěn)定才能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

美國研究實(shí)驗(yàn)室的ARO計(jì)劃經(jīng)理James Joseph博士說：“單模高功率激光被廣泛應(yīng)用于對至關(guān)重要的各種應(yīng)用中，并有助于為人員提供支持，包括光學(xué)通信，光學(xué)傳感和LIDAR測距。” UPenn的研究結(jié)果標(biāo)志著朝著創(chuàng)建更高效和可部署的激光源邁出了重要的一步。”

利用該技術(shù)分層信息的方式也可能對光子計(jì)算機(jī)和通信系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。

由資助的研究人員設(shè)計(jì)并建造了緊密排列的微激光器二維陣列，具有單個微激光器的穩(wěn)定性，但可以實(shí)現(xiàn)更高數(shù)量級的功率密度，為改進(jìn)激光器、高速計(jì)算和光通信鋪平了道路。

為了保留由光子設(shè)備操縱的信息，其激光器必須格外穩(wěn)定和相干。所謂的單模激光器消除了光束內(nèi)的噪聲變化并改善了其相干性，但結(jié)果卻比包含多個同時模態(tài)的激光器更暗，功率也更低。

賓夕法尼亞大學(xué)和杜克大學(xué)的研究人員在的資助下，設(shè)計(jì)并建造了二維陣列的緊密堆積的微型激光，這些微型激光具有單個微型激光的穩(wěn)定性，但可以共同實(shí)現(xiàn)更高的功率密度數(shù)量級。他們在同行評審雜志《科學(xué)》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，證明了超對稱微激光陣列。

使用LiDAR進(jìn)行光學(xué)傳感和測距，使用激光的制造和材料處理技術(shù)的機(jī)器人和自動駕駛汽車是這項(xiàng)研究的許多其他潛在應(yīng)用中的一部分。

賓夕法尼亞大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院和電氣與系統(tǒng)工程學(xué)院副教授梁峰博士說：“一種實(shí)現(xiàn)高功率單模激光器的看似直接的方法是將多個相同的單模激光器耦合在一起以形成激光器陣列。”“直覺上，該激光器陣列將具有增強(qiáng)的發(fā)射功率，但是由于與耦合系統(tǒng)相關(guān)的復(fù)雜性，它還將具有多個超模式。不幸的是，模式之間的競爭使激光器陣列的相干性降低。”

耦合兩個激光器會產(chǎn)生兩個超模式，但是隨著將激光器排列在二維網(wǎng)格中，該數(shù)量以平方倍的方式增加，這些二維網(wǎng)格用于光子感測和LiDAR應(yīng)用。

賓夕法尼亞大學(xué)的博士生喬興都說：“單模操作是至關(guān)重要的，因?yàn)橹挥袑⒓す馄魅挎i相成一個超級模式時，激光器陣列的輻射度和亮度才會隨著激光器數(shù)量的增加而增加。” “受物理學(xué)中超對稱性概念的啟發(fā)，我們可以通過添加耗散的超級伙伴來在激光器陣列中實(shí)現(xiàn)這種鎖相單模激光。”

在粒子物理學(xué)中，超對稱性是指兩個主要類別的所有基本粒子，玻色子和費(fèi)米子，在另一類別中都尚未發(fā)現(xiàn)的超級伙伴。預(yù)測每個粒子的假設(shè)超級伙伴的性質(zhì)的數(shù)學(xué)工具也可以應(yīng)用于激光器的性質(zhì)。

與基本粒子相比，制造單個微激光器的超級伙伴相對簡單。復(fù)雜性在于調(diào)整超對稱性的數(shù)學(xué)變換以產(chǎn)生一個完整的超級伙伴陣列，該陣列具有正確的能級，以抵消除所需的原始單模之外的所有模式。

在進(jìn)行這項(xiàng)研究之前，超級伙伴激光器陣列只能是一維的，每個激光器元件排成一行。通過解決支配各個元素彼此耦合方向的數(shù)學(xué)關(guān)系，這項(xiàng)新研究展示了一種具有五行五列微型激光的陣列。

“當(dāng)有損超對稱伙伴陣列和原始激光器陣列耦合在一起時，除了基本模式之外的所有超模式都將被消散，從而導(dǎo)致單模式激光發(fā)射的功率提高了25倍，功率密度提高了100倍以上Feng計(jì)劃的博士后研究員高子和博士說：“我們設(shè)想通過將通用方案應(yīng)用于更大的陣列（甚至在三個維度上），可以實(shí)現(xiàn)更顯著的功率縮放。”

研究還表明，該技術(shù)與該團(tuán)隊(duì)先前對渦旋激光器的研究相兼容，渦旋激光器可以精確地控制軌道角動量，或激光束如何圍繞其行進(jìn)軸螺旋旋轉(zhuǎn)。操縱光的這種特性的能力可以使光子系統(tǒng)以比以前想象的更高的密度進(jìn)行編碼，將超對稱性引入二維激光陣列，構(gòu)成了潛在的大規(guī)模集成光子系統(tǒng)的強(qiáng)大工具箱。

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