Des chercheurs réalisent un multiplexage spatial à grande échelle avec des lanternes photoniques imprimées en 3D

Des chercheurs ont développé un dispositif optique microscopique imprimé en 3D qui combine efficacement la lumière d’une douzaine de petits lasers à semi-conducteurs en une seule fibre optique multimode avec très peu de pertes. L’équipe a démontré des lanternes photoniques multiplexant 7, 19 et 37 lasers VCSEL multimodes directement dans une fibre tout en préservant la luminosité et en facilitant les contraintes d’alignement. En permettant une combinaison incohérente évolutive de nombreux lasers multimodes, cette technologie pourrait simplifier et améliorer les systèmes laser de haute puissance, les communications optiques et d’autres applications photoniques où il est crucial de délivrer efficacement une grande puissance optique par fibres.

Une nouvelle étude publiée dans Nature Communications par le doctorant Yoav Dana, sous la direction du professeur Dan M. Marom et de son équipe à l’Institut de physique appliquée de l’Université hébraïque de Jérusalem, en Israël, démontre une percée significative dans l’échelle du système et la miniaturisation d’un appareil de combinaison de faisceaux optiques, comme ceux requis dans les systèmes laser de haute puissance.

La recherche, menée en collaboration avec Civan Lasers et financée par l’Autorité israélienne de l’innovation, présente une nouvelle lanterne photonique (PL) microscopique imprimée en 3D conçue pour la combinaison incohérente efficace de sources multimodes. Cette innovation relève le défi de longue date du couplage de la lumière provenant de grandes matrices de lasers à émission par la surface à cavité verticale (VCSEL), chacune de ces sources VCSEL étant multimode, dans des fibres multimodes (MMF) tout en préservant la luminosité et la capacité modale du système.

Avancées clés :

• Réalisation de la première lanterne photonique multimode (MM PL) : Alors que les lanternes photoniques traditionnelles font l’interface entre plusieurs entrées monomodes (SM) et un guide d’ondes multimode unique, cette recherche réussit à réaliser une nouvelle architecture « N-MM PL » qui prend en charge de nombreuses sources VCSEL multimodes multiplexées en un seul guide d’ondes à grand nombre de modes.
• Évolutivité massive : L’équipe a démontré avec succès des PL capables de multiplexer 7, 19 et même 37 sources VCSEL, chacune laser à travers six modes spatiaux en une seule fibre optique multimode, supportant un total allant jusqu’à 222 modes spatiaux.
• Haute efficacité à une taille minuscule : Les dispositifs ont atteint de faibles pertes de couplage dans une fibre multimode standard de 50 μm , aussi basses que -0,6 dB pour les PL à 19 entrées et -0,8 dB pour les PL à 37 entrées, avec la PL entière nécessitant moins de ½ mm de longueur, ce qui est plusieurs ordres de grandeur plus petit que les systèmes de multiplexage optique concurrents.
• Luminosité préservée : Contrairement aux systèmes de lentilles de relais traditionnels qui diminuent souvent la qualité du faisceau, cette architecture « N-MM PL » correspond à la capacité modale pour préserver la luminosité, un facteur critique pour les systèmes optiques hautes performances.

Percée technique :

Traditionnellement, les lanternes photoniques étaient conçues pour des entrées monomodes, les rendant incompatibles avec les sorties multimodes des matrices VCSEL de haute puissance. L’équipe de l’Université hébraïque a surmonté ce problème en concevant une transition adiabatique qui convertit de multiples sources à quelques modes en une seule fibre multimode avec des degrés de liberté correspondants. Malgré leur capacité à grande échelle, ces dispositifs restent incroyablement compacts, la PL à 37 entrées mesurant seulement 470 μm de longueur.

Article : Massive-scale spatial multiplexing of multimode VCSELs with a 3D-printed photonic lantern – Journal : Nature Communications – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : L’Université hébraïque de Jérusalem