Novas pesquisas sobre fotônica abrem caminho para lasers aprimorados, computação de alta velocidade e comunicações ópticas para o Exército.

A fotônica tem o potencial de transformar todas as formas de dispositivos eletrônicos, armazenando e transmitindo informações na forma de luz, em vez de eletricidade. Usar a velocidade da luz e a forma como as informações podem ser dispostas em camadas em suas várias propriedades físicas pode aumentar a velocidade da comunicação enquanto reduz o desperdício de energia; Contudo, fontes de luz, como lasers, precisam ser menores, mais forte e mais estável para conseguir isso, pesquisadores disseram.

"Modo único, o laser de alta potência é usado em uma ampla gama de aplicações que são importantes para o Exército e ajudam a apoiar o guerreiro, incluindo comunicações ópticas, detecção óptica e alcance LIDAR, "disse o Dr. James Joseph, gerenciador de programa, ARO, um elemento do Comando de Desenvolvimento de Capacidades de Combate do Exército dos EUA, conhecido como DEVCOM, Laboratório de Pesquisa do Exército. "Os resultados da pesquisa da UPenn marcam um passo significativo para a criação de fontes de laser mais eficientes e de campo."

A maneira como a informação pode ser dividida em camadas com essa tecnologia também pode ter implicações importantes para computadores fotônicos e sistemas de comunicação.

Pesquisadores financiados pelo Exército projetaram e construíram matrizes bidimensionais de micro-lasers compactados que têm a estabilidade de um único micro-laser, mas podem, coletivamente, atingir ordens de densidade de potência de magnitude mais alta, pavimentando o caminho para lasers aprimorados, computação de alta velocidade e comunicações ópticas para o Exército.

A fim de preservar as informações manipuladas por um dispositivo fotônico, seus lasers devem ser excepcionalmente estáveis ​​e coerentes. Os chamados lasers de modo único eliminam variações ruidosas em seus feixes e melhoram sua coerência, mas como resultado, são mais escuros e menos potentes do que os lasers que contêm vários modos simultâneos.

Pesquisadores da University of Pennsylvania e da Duke University, com financiamento do Exército, projetou e construiu matrizes bidimensionais de micro-lasers compactados que têm a estabilidade de um único micro-laser, mas podem, coletivamente, atingir ordens de magnitude de densidade de potência mais altas. Eles publicaram um estudo na revista científica Science demonstrando o arranjo de micro-laser super-simétrico.

Robôs e veículos autônomos que usam LiDAR para detecção e alcance óptico, técnicas de fabricação e processamento de materiais que usam lasers, são algumas das muitas outras aplicações potenciais desta pesquisa.

"Um método aparentemente simples para alcançar um alto poder, laser de modo único é acoplar vários lasers de modo único idênticos juntos para formar uma matriz de laser, "disse o Dr. Liang Feng, professor associado dos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais e Engenharia Elétrica e de Sistemas da Universidade da Pensilvânia. "Intuitivamente, esta matriz de laser teria um poder de emissão aprimorado, mas devido à natureza da complexidade associada a um sistema acoplado, ele também terá vários supermodos. Infelizmente, a competição entre os modos torna o arranjo de laser menos coerente. "

O acoplamento de dois lasers produz dois supermodos, mas esse número aumenta quadraticamente à medida que os lasers são dispostos nas grades bidimensionais com olhos para detecção fotônica e aplicações de LiDAR.

"A operação de modo único é crítica porque a radiância e o brilho da matriz de laser aumentam com o número de lasers apenas se eles estiverem todos bloqueados por fase em um único supermodo, "disse Xingdu Qiao, candidato a doutorado na Universidade da Pensilvânia. "Inspirado no conceito de supersimetria da física, podemos alcançar esse tipo de lasing de modo único com bloqueio de fase em uma matriz de laser adicionando um superparceiro dissipativo. "

Na física de partículas, supersimetria é a teoria de que todas as partículas elementares das duas classes principais, bósons e férmions, ter um superparceiro ainda não descoberto na outra classe. As ferramentas matemáticas que prevêem as propriedades do superparceiro hipotético de cada partícula também podem ser aplicadas às propriedades dos lasers.

Comparado com partículas elementares, fabricar um superparceiro de um único micro-laser é relativamente simples. A complexidade reside na adaptação das transformações matemáticas da supersimetria para produzir uma matriz inteira de superparceiros que tenha os níveis de energia corretos para cancelar tudo, exceto o modo único desejado do original.

Antes desta pesquisa, matrizes de laser de superparceiros só poderiam ser unidimensionais, com cada um dos elementos de laser alinhados em uma fileira. Resolvendo as relações matemáticas que governam as direções nas quais os elementos individuais se acoplam, este novo estudo demonstra uma matriz com cinco linhas e cinco colunas de micro-lasers.

"Quando a matriz parceira super-simétrica com perdas e a matriz laser original são acopladas, todos os supermodos, exceto o modo fundamental, são dissipados, resultando em lasing de modo único com 25 vezes a potência e mais de 100 vezes a densidade de potência do array original, "disse o Dr. Zihe Gao, um pós-doutorado no programa de Feng, "Prevemos uma escala de potência muito mais dramática aplicando nosso esquema genérico para uma matriz muito maior, mesmo em três dimensões. A engenharia por trás disso é a mesma."

O estudo também mostra que a técnica é compatível com as pesquisas anteriores da equipe sobre lasers de vórtice, que pode controlar com precisão o momento angular orbital, ou como um feixe de laser gira em torno de seu eixo de viagem. A capacidade de manipular essa propriedade da luz pode permitir sistemas fotônicos codificados em densidades ainda mais altas do que se imaginava anteriormente.

"Trazendo supersimetria para matrizes de laser bidimensionais constitui uma poderosa caixa de ferramentas para sistemas fotônicos integrados de grande escala em potencial, "Feng disse.