La nuova ricerca sulla fotonica apre la strada a laser migliorati, computer ad alta velocità e comunicazioni ottiche per l'esercito.

La fotonica ha il potenziale per trasformare tutti i tipi di dispositivi elettronici memorizzando e trasmettendo informazioni sotto forma di luce, piuttosto che elettricità. L'uso della velocità della luce e del modo in cui le informazioni possono essere stratificate nelle sue varie proprietà fisiche può aumentare la velocità di comunicazione riducendo al contempo lo spreco di energia; però, le sorgenti luminose come i laser devono essere più piccole, più forte e più stabile per raggiungere questo obiettivo, ricercatori hanno detto.

"Modalità singola, il laser ad alta potenza viene utilizzato in una vasta gamma di applicazioni che sono importanti per l'esercito e aiutano a supportare il combattente, comprese le comunicazioni ottiche, rilevamento ottico e gamma LIDAR, " ha detto il dottor James Joseph, responsabile del programma, ARO, un elemento del comando per lo sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti, noto come DEVCOM, Laboratorio di ricerca dell'esercito. "I risultati della ricerca di UPenn segnano un passo significativo verso la creazione di sorgenti laser più efficienti e di campo".

Il modo in cui le informazioni possono essere stratificate con questa tecnologia potrebbe anche avere importanti implicazioni per i computer fotonici e i sistemi di comunicazione.

I ricercatori finanziati dall'esercito hanno progettato e costruito array bidimensionali di micro-laser ravvicinati che hanno la stabilità di un singolo micro-laser ma possono raggiungere collettivamente densità di potenza di ordini di grandezza superiori, aprendo la strada a laser migliorati, computer ad alta velocità e comunicazioni ottiche per l'esercito.

Al fine di preservare le informazioni manipolate da un dispositivo fotonico, i suoi laser devono essere eccezionalmente stabili e coerenti. I cosiddetti laser monomodali eliminano le variazioni rumorose all'interno dei loro raggi e ne migliorano la coerenza, ma di conseguenza, sono più deboli e meno potenti dei laser che contengono più modalità simultanee.

Ricercatori dell'Università della Pennsylvania e della Duke University, con i fondi dell'esercito, progettato e costruito array bidimensionali di micro-laser ravvicinati che hanno la stabilità di un singolo micro-laser ma possono raggiungere collettivamente densità di potenza di ordini di grandezza superiori. Hanno pubblicato uno studio sulla rivista scientifica Science che dimostra l'array di micro-laser supersimmetrico.

Robot e veicoli autonomi che utilizzano LiDAR per il rilevamento ottico e la distanza, tecniche di produzione e lavorazione dei materiali che utilizzano laser, sono alcune delle molte altre potenziali applicazioni di questa ricerca.

"Un metodo apparentemente semplice per ottenere un'elevata potenza, il laser monomodale consiste nell'accoppiare più laser monomodali identici insieme per formare una matrice laser, " ha detto il dottor Liang Feng, professore associato nei dipartimenti di Scienza e ingegneria dei materiali e Ingegneria elettrica e dei sistemi presso l'Università della Pennsylvania. "Intuitivamente, questo array laser avrebbe una potenza di emissione maggiore, ma a causa della natura della complessità associata a un sistema accoppiato, avrà anche più super-modalità. Sfortunatamente, la competizione tra le modalità rende l'array laser meno coerente."

L'accoppiamento di due laser produce due super-modalità, ma quel numero aumenta in modo quadratico man mano che i laser sono disposti nelle griglie bidimensionali osservate per il rilevamento fotonico e le applicazioni LiDAR.

"Il funzionamento in modalità singola è fondamentale perché la radianza e la luminosità dell'array laser aumentano con il numero di laser solo se sono tutti bloccati in fase in un'unica supermodalità, " disse Xingdu Qiao, dottorando presso l'Università della Pennsylvania. "Ispirato al concetto di supersimmetria della fisica, possiamo ottenere questo tipo di laser monomodale ad aggancio di fase in un array laser aggiungendo un super-partner dissipativo".

Nella fisica delle particelle, la supersimmetria è la teoria secondo cui tutte le particelle elementari delle due classi principali, bosoni e fermioni, avere un super-partner ancora sconosciuto nell'altra classe. Gli strumenti matematici che prevedono le proprietà dell'ipotetico super-partner di ciascuna particella possono essere applicati anche alle proprietà dei laser.

Rispetto alle particelle elementari, fabbricare il super-partner di un singolo micro-laser è relativamente semplice. La complessità sta nell'adattare le trasformazioni matematiche della super-simmetria per produrre un intero array di super-partner che ha i livelli di energia corretti per annullare tutto tranne la modalità singola desiderata dell'originale.

Prima di questa ricerca, gli array laser dei super-partner avrebbero potuto essere solo unidimensionali, con ciascuno degli elementi laser allineati in una riga. Risolvendo le relazioni matematiche che governano le direzioni in cui i singoli elementi si accoppiano tra loro, questo nuovo studio dimostra un array con cinque righe e cinque colonne di micro-laser.

"Quando l'array partner supersimmetrico con perdite e l'array laser originale sono accoppiati insieme, tutti i super-modi tranne il modo fondamentale sono dissipati, con conseguente laser monomodale con 25 volte la potenza e più di 100 volte la densità di potenza dell'array originale, " ha detto il dottor Zihe Gao, un borsista post-dottorato nel programma di Feng, "Prevediamo un ridimensionamento della potenza molto più drammatico applicando il nostro schema generico per un array molto più grande anche in tre dimensioni. L'ingegneria alla base è la stessa".

Lo studio mostra anche che la tecnica è compatibile con le precedenti ricerche del team sui laser a vortice, che può controllare con precisione il momento angolare orbitale, o come un raggio laser gira a spirale attorno al suo asse di viaggio. La capacità di manipolare questa proprietà della luce potrebbe consentire sistemi fotonici codificati a densità ancora più elevate di quanto precedentemente immaginato.

"Portare la supersimmetria agli array laser bidimensionali costituisce una potente cassetta degli attrezzi per potenziali sistemi fotonici integrati su larga scala, " ha detto Feng.