De nouvelles recherches en photonique ouvrent la voie à des lasers améliorés, informatique à grande vitesse et communications optiques pour l'armée de terre.

La photonique a le potentiel de transformer toutes sortes d'appareils électroniques en stockant et en transmettant des informations sous forme de lumière, plutôt que l'électricité. L'utilisation de la vitesse de la lumière et de la manière dont l'information peut être superposée dans ses diverses propriétés physiques peut augmenter la vitesse de communication tout en réduisant le gaspillage d'énergie; cependant, les sources lumineuses telles que les lasers doivent être plus petites, plus fort et plus stable pour y parvenir, les chercheurs ont dit.

« monomode, le laser à haute puissance est utilisé dans un large éventail d'applications importantes pour l'armée et aide à soutenir le combattant, y compris les communications optiques, détection optique et télémétrie LIDAR, " a déclaré le Dr James Joseph, gestionnaire de programme, ARO, un élément du commandement du développement des capacités de combat de l'armée américaine, connu sous le nom de DEVCOM, Laboratoire de recherche de l'armée. "Les résultats de la recherche d'UPenn marquent une étape importante vers la création de sources laser plus efficaces et plus exploitables."

La façon dont les informations peuvent être superposées avec cette technologie pourrait également avoir des implications importantes pour les ordinateurs photoniques et les systèmes de communication.

Des chercheurs financés par l'armée ont conçu et construit des réseaux bidimensionnels de micro-lasers étroitement emballés qui ont la stabilité d'un seul micro-laser mais peuvent collectivement atteindre des ordres de grandeur de densité de puissance plus élevés, ouvrant la voie à des lasers améliorés, informatique à grande vitesse et communications optiques pour l'armée de terre.

Afin de préserver les informations manipulées par un dispositif photonique, ses lasers doivent être exceptionnellement stables et cohérents. Les lasers dits monomodes éliminent les variations bruitées au sein de leurs faisceaux et améliorent leur cohérence, mais en conséquence, sont plus faibles et moins puissants que les lasers qui contiennent plusieurs modes simultanés.

Des chercheurs de l'Université de Pennsylvanie et de l'Université Duke, avec le financement de l'armée, conçu et construit des réseaux bidimensionnels de micro-lasers étroitement emballés qui ont la stabilité d'un seul micro-laser mais peuvent collectivement atteindre des ordres de grandeur de densité de puissance plus élevés. Ils ont publié une étude dans la revue à comité de lecture Science démontrant la matrice de micro-laser super-symétrique.

Robots et véhicules autonomes utilisant le LiDAR pour la détection optique et la télémétrie, techniques de fabrication et de traitement des matériaux utilisant des lasers, sont quelques-unes des nombreuses autres applications potentielles de cette recherche.

"Une méthode apparemment simple pour obtenir une puissance élevée, le laser monomode consiste à coupler plusieurs lasers monomodes identiques pour former un réseau laser, " a déclaré le Dr Liang Feng, professeur agrégé dans les départements de science et génie des matériaux et de génie électrique et des systèmes de l'Université de Pennsylvanie. "Intuitivement, ce réseau laser aurait une puissance d'émission améliorée, mais en raison de la nature de la complexité associée à un système couplé, il aura également plusieurs super-modes. Malheureusement, la compétition entre les modes rend le réseau laser moins cohérent."

Le couplage de deux lasers produit deux super-modes, mais ce nombre augmente de manière quadratique à mesure que les lasers sont disposés dans les grilles bidimensionnelles destinées à la détection photonique et aux applications LiDAR.

« Le fonctionnement en mode unique est essentiel car la radiance et la luminosité du réseau laser augmentent avec le nombre de lasers uniquement s'ils sont tous verrouillés en phase dans un seul super-mode, " dit Xingdu Qiao, doctorant à l'Université de Pennsylvanie. "Inspiré par le concept de supersymétrie de la physique, nous pouvons réaliser ce type de laser monomode à verrouillage de phase dans un réseau laser en ajoutant un super-partenaire dissipatif."

En physique des particules, la super-symétrie est la théorie selon laquelle toutes les particules élémentaires des deux classes principales, bosons et fermions, avoir un super-partenaire encore inconnu dans l'autre classe. Les outils mathématiques qui prédisent les propriétés du super-partenaire hypothétique de chaque particule peuvent également être appliqués aux propriétés des lasers.

Par rapport aux particules élémentaires, fabriquer le super-partenaire d'un seul micro-laser est relativement simple. La complexité réside dans l'adaptation des transformations mathématiques de la super-symétrie pour produire un réseau complet de super-partenaires qui a les niveaux d'énergie corrects pour annuler tout sauf le mode unique souhaité de l'original.

Avant cette recherche, les réseaux laser de super-partenaires ne pouvaient être qu'unidimensionnels, avec chacun des éléments laser alignés dans une rangée. En résolvant les relations mathématiques qui régissent les directions dans lesquelles les éléments individuels se couplent les uns aux autres, cette nouvelle étude démontre une matrice avec cinq rangées et cinq colonnes de micro-lasers.

"Lorsque le réseau partenaire super-symétrique avec perte et le réseau laser d'origine sont couplés, tous les super-modes sauf le mode fondamental sont dissipés, résultant en un laser monomode avec 25 fois la puissance et plus de 100 fois la densité de puissance de la matrice d'origine, " a déclaré le Dr Zihe Gao, un post-doctorant dans le programme de Feng, « Nous envisageons une mise à l'échelle de la puissance beaucoup plus spectaculaire en appliquant notre schéma générique à une baie beaucoup plus grande, même en trois dimensions. L'ingénierie qui la sous-tend est la même. »

L'étude montre également que la technique est compatible avec les recherches antérieures de l'équipe sur les lasers vortex, qui peut contrôler avec précision le moment angulaire orbital, ou comment un faisceau laser tourne en spirale autour de son axe de déplacement. La capacité de manipuler cette propriété de la lumière pourrait permettre des systèmes photoniques codés à des densités encore plus élevées qu'on ne l'imaginait auparavant.

« Apporter la super-symétrie aux réseaux laser bidimensionnels constitue une puissante boîte à outils pour les systèmes photoniques intégrés potentiels à grande échelle, " dit Feng.