新光子學(xué)研究為陸軍改進激光、高速計算和光通信鋪平了道路。光子學(xué)有望可以以光而非電的形式存儲和傳輸信息，從而改變電子設(shè)備的運行。研究人員稱，信息可以根據(jù)不同的物理屬性進行分層，再利用光速，可以提高通信速度，同時減少能源浪費。但為實現(xiàn)這一目標，激光等光源需要更小、更強且更穩(wěn)定。
美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部（U.S. Army Combat Capabilities Development Command）陸軍研究實驗室（ARO）項目經(jīng)理James Joseph博士表示：“單模高功率激光被廣泛應(yīng)用于陸軍重要應(yīng)用中，為軍人提供各種支持，如光學(xué)通信、光學(xué)傳感和激光雷達測距。賓夕法尼亞大學(xué)（UPenn）的研究結(jié)果標志著向打造更加高效、現(xiàn)場的激光光源邁出了重要的一步。”
利用該技術(shù)分層信息的方式可能對光子計算機和通信系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。為了保留由光子設(shè)備控制的信息，其激光器必須十分穩(wěn)定且耦合。單模激光器不僅減少光束內(nèi)的噪聲變化，且改善了其相干性，但結(jié)果卻比含有多個同時模態(tài)的激光器亮度更暗，功率更低。
據(jù)外媒報道，賓夕法尼亞大學(xué)（University of Pennsylvania）和杜克大學(xué)（Duke University）的研究人員在陸軍的資助下，設(shè)計并制造了二維陣列的緊密堆積的微型激光，不僅具有單個微型激光的穩(wěn)定性，還可以共同實現(xiàn)更高的功率密度數(shù)量級，從而為陸軍改進激光、高速計算和光學(xué)通信鋪平了道路。
（圖片來源：賓夕法尼亞大學(xué)）
機器人和自動駕駛汽車是此項研究的潛在應(yīng)用。機器人和自動駕駛汽車中會使用LiDAR進行光學(xué)傳感和測距，以及使用激光進行制造和材料處理。此項研究的潛在應(yīng)用包括采用激光雷達技術(shù)進行光學(xué)傳感和測距，以及制造和材料處理。
材料科學(xué)與工程學(xué)系副教授Liang Feng博士表示：“制造高功率單模激光器的直接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，從而具有增強的發(fā)射功率。但由于耦合系統(tǒng)十分復(fù)雜，所以系統(tǒng)將具有多種超模式。而模式間的競爭會使激光器陣列的相干性降低?！?/p>
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用于光子感測和LiDAR應(yīng)用的二維網(wǎng)格中，該數(shù)量以平方倍增加。賓夕法尼亞大學(xué)的博士生Xingdu Qiao表示：“單模操作非常重要，因為只有將全部激光器鎖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（super-partner）在激光器陣列中實現(xiàn)這種鎖相單模激光?！?/p>
在粒子物理學(xué)中，超對稱性是指兩個主要類別玻色子和費米子的所有基本粒子，在另一類別中都具有尚未發(fā)現(xiàn)的超級伙伴。用于預(yù)測每個粒子的假設(shè)超級伙伴性質(zhì)的數(shù)學(xué)工具也可以用于預(yù)測激光器性質(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。其復(fù)雜性在于適應(yīng)超對稱性的數(shù)學(xué)變換，從而產(chǎn)生一個完整的具有正確能級的超級伙伴陣列，可以抵消所需的原始單模之外的所有模式。
在進行這項研究之前，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。解決支配各個元素彼此耦合方向的數(shù)學(xué)關(guān)系后，這項新研究展示出一種具有五行五列微型激光的陣列。
參與此項目的博士后Zihe Gao表示：“當有損超對稱伙伴陣列和原始激光器陣列耦合在一起時，除基本模式以外的所有超模式都將被耗散，因此，單模激光的功率和功率密度分別是原始陣列的25倍和100倍。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），從而實現(xiàn)更顯著的功率縮放。其背后的工程原理相同?！?/p>
研究還表明，該技術(shù)與該團隊先前對渦旋激光器的研究相兼容。其中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軸螺旋旋轉(zhuǎn)。控制光特性可以使光子系統(tǒng)以更高的密度進行編碼。Feng稱：“將超對稱性引入二維激光陣列，可構(gòu)成潛在的大規(guī)模集成光子系統(tǒng)的強大工具箱?！?/p>
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