فانوس فوتونیک کوچک می‌تواند سیستم‌های لیزری و شبکه‌های فیبر نوری را متحول کند

به قلم پسخ بنسون • ۱۱ مارس ۲۰۲۶ اورشلیم، ۱۱ مارس ۲۰۲۶ (TPS-IL) — دانشمندان اسرائیلی یک دستگاه اپتیکی میکروسکوپی توسعه داده‌اند که می‌تواند نور ده‌ها لیزر نیمه‌هادی کوچک را با حداقل اتلاف انرژی در یک فیبر نوری واحد ترکیب کند و به طور بالقوه سیستم‌های لیزر پرقدرت، ارتباطات نوری، و سیستم‌های سنجش و تصویربرداری را ساده‌تر سازد.

تیمی از پژوهشگران در دانشگاه عبری اورشلیم – به رهبری یواو دانا، دانشجوی دکترا، تحت نظارت پروفسور دن ام. ماروم در مؤسسه فیزیک کاربردی این دانشگاه – دستگاه کوچکی با چاپ سه‌بعدی به نام فانوس فوتونیک ایجاد کردند که می‌تواند نور را از لیزرهای متعدد در یک فیبر نوری چندحالته (multimode) ادغام کند و در عین حال روشنایی را حفظ نماید. پیشرفت اصلی آنها نشان دادن این بود که این دستگاه می‌تواند نور را از لیزرهایی که چندین حالت فضایی (spatial modes) منتشر می‌کنند، به طور مؤثر ترکیب کند – چیزی که طرح‌های قبلی فانوس فوتونیک قادر به انجام آن نبودند.

در یک فیبر نوری، نور همیشه به صورت یک پرتو باریک واحد حرکت نمی‌کند. در عوض، می‌تواند در الگوهای مختلف در سراسر مقطع خود از طریق فیبر عبور کند. این الگوها حالت‌های فضایی نامیده می‌شوند. در یک فیبر تک‌حالته (single-mode)، تنها یک الگوی نور می‌تواند حرکت کند، در حالی که در یک فیبر چندحالته (multimode)، چندین الگو می‌توانند همزمان حرکت کنند و هر کدام مسیر کمی متفاوتی را در فیبر طی می‌کنند. یک قیاس رایج حالت‌های فضایی را به خطوط عبور در یک تونل تشبیه می‌کند: یک تونل باریک تنها اجازه عبور یک خط ترافیک را می‌دهد، در حالی که یک تونل عریض‌تر اجازه عبور چندین خط را می‌دهد، که هر خط نشان‌دهنده یک حالت فضایی متفاوت حامل نور از طریق فیبر است.

سیستم‌های لیزر پرقدرت اغلب برای دستیابی به خروجی بیشتر به ترکیب نور از لیزرهای کوچک متعدد متکی هستند. با این حال، جفت کردن مؤثر این منابع به یک فیبر، به ویژه زمانی که لیزرها حالت‌های فضایی متعددی از نور را منتشر می‌کنند، مدت‌هاست که یک چالش فنی محسوب می‌شود. فانوس‌های فوتونیک سنتی برای ورودی‌های تک‌حالته طراحی شده بودند و این امر آنها را برای نور چندحالته تولید شده توسط آرایه‌های لیزر گسیل‌کننده سطحی حفره عمودی (VCSELs) که به طور گسترده در ارتباطات نوری، سیستم‌های سنجش و لیزرهای صنعتی پرقدرت استفاده می‌شوند، نامناسب می‌ساخت.

تیم دانشگاه عبری با طراحی نوع جدیدی از فانوس فوتونیک چندحالته که اجازه می‌دهد چندین منبع لیزر چندحالته به طور روان در یک فیبر چندحالته از طریق یک انتقال نوری مهندسی‌شده ادغام شوند، این مشکل را حل کرد.

در آزمایش‌ها، دانشمندان دستگاه‌هایی را نشان دادند که قادر به ترکیب ۷، ۱۹ و حتی ۳۷ لیزر VCSEL در یک فیبر واحد بودند. از آنجایی که هر لیزر چندین حالت فضایی نور تولید می‌کند، این سیستم توانست تا ۲۲۲ حالت فضایی را در مجموع پشتیبانی کند.

علیرغم ترکیب ده‌ها ورودی لیزر، این دستگاه‌ها بسیار کوچک باقی ماندند. کل ساختار فانوس فوتونیک کمتر از نیم میلی‌متر طول دارد، که چندین مرتبه کوچکتر از سیستم‌های مالتی‌پلکسینگ نوری سنتی است که به لنزها و مجموعه‌های نوری بزرگتر متکی هستند.

این دستگاه‌ها همچنین کارایی بالایی را حفظ کردند، با اتلاف جفت‌شدگی (coupling losses) به پایین حدود ۰.۶ دسی‌بل برای یک دستگاه با ۱۹ ورودی و حدود ۰.۸ دسی‌بل برای نسخه ۳۷ ورودی.

فانوس‌های فوتونیک جدید با ترکیب خروجی بسیاری از لیزرهای کوچک در یک فیبر واحد، پرتوهای قدرتمند و متمرکزی را در دستگاهی بسیار کوچکتر و فشرده‌تر از سیستم‌های سنتی تولید می‌کنند و سیستم‌های لیزر پرقدرت را متحول خواهند کرد. اندازه میکروسکوپی و کارایی بالای آنها، آنها را برای کاربردهایی که فضا محدود است ایده‌آل می‌سازد و فناوری‌های لیزری قابل حمل یا مینیاتوری را قادر می‌سازد که همچنان توان نوری قابل توجهی را ارائه دهند.

فانوس‌های فوتونیک می‌توانند ظرفیت داده شبکه‌های فیبر نوری را به شدت افزایش دهند و پیشرفت‌هایی را در ارتباطات نوری، سنجش و تحقیقات علمی امکان‌پذیر سازند. آنها از اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر در تصویربرداری پزشکی، LiDAR برای وسایل نقلیه خودران و رباتیک پشتیبانی می‌کنند و می‌توانند منابع نور پیچیده را در نجوم ثبت و هدایت کنند.

این مطالعه که توسط سازمان نوآوری اسرائیل تأمین مالی شده و با همکاری شرکت اسرائیلی سیوان لیزرز انجام شده است، در مجله معتبر Nature Communications منتشر شده است.