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(chǔ)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(shí)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(duì)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(cè)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(duì)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(gè)微激光器的穩(wěn)定性，但可以實(shí)現(xiàn)更高數(shù)量級(jí)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(gè)同時(shí)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(gè)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(jí)。他們?cè)谕性u(píng)審雜志《科學(xué)》上發(fā)表了一項(xiàng)研究，證明了超對(duì)稱微激光陣列。

使用LiDAR進(jìn)行光學(xué)傳感和測(cè)距，使用激光的制造和材料處理技術(shù)的機(jī)器人和自動(dòng)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(gè)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(gè)超模式。不幸的是，模式之間的競(jìng)爭(zhēng)使激光器陣列的相干性降低。”

耦合兩個(gè)激光器會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)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(cè)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(gè)超級(jí)模式時(shí)，激光器陣列的輻射度和亮度才會(huì)隨著激光器數(shù)量的增加而增加。” “受物理學(xué)中超對(duì)稱性概念的啟發(fā)，我們可以通過添加耗散的超級(jí)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(duì)稱性是指兩個(gè)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(jí)伙伴。預(yù)測(cè)每個(gè)粒子的假設(shè)超級(jí)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(gè)微激光器的超級(jí)伙伴相對(duì)簡(jiǎn)單。復(fù)雜性在于調(diào)整超對(duì)稱性的數(shù)學(xué)變換以產(chǎn)生一個(gè)完整的超級(jí)伙伴陣列，該陣列具有正確的能級(jí)，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(jí)伙伴激光器陣列只能是一維的，每個(gè)激光器元件排成一行。通過解決支配各個(gè)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(duì)稱伙伴陣列和原始激光器陣列耦合在一起時(shí)，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?cè)O(shè)想通過將通用方案應(yīng)用于更大的陣列（甚至在三個(gè)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(duì)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(dòng)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(duì)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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