新的光子学研究为陆军改进激光，高速计算和光通信铺平了道路。

通过光的形式，而不是电的形式来存储和传输信息，光子学有潜力改变所有形式的电子设备。利用光的速度和信息在其各种物理属性中的分层方式，可以提高通信速度，同时减少能源浪费；但是，研究人员说，激光等光源需要更小、更强、更稳定才能实现这一目标。

美国陆军研究实验室的ARO计划经理James Joseph博士说：“单模高功率激光被广泛应用于对陆军至关重要的各种应用中，并有助于为作战人员提供支持，包括光学通信，光学传感和LIDAR测距。” UPenn的研究结果标志着朝着创建更高效和可部署的激光源迈出了重要的一步。”

利用该技术分层信息的方式也可能对光子计算机和通信系统产生重要影响。

由陆军资助的研究人员设计并建造了紧密排列的微激光器二维阵列，具有单个微激光器的稳定性，但可以实现更高数量级的功率密度，为陆军改进激光器、高速计算和光通信铺平了道路。

为了保留由光子设备操纵的信息，其激光器必须格外稳定和相干。所谓的单模激光器消除了光束内的噪声变化并改善了其相干性，但结果却比包含多个同时模态的激光器更暗，功率也更低。

宾夕法尼亚大学和杜克大学的研究人员在陆军的资助下，设计并建造了二维阵列的紧密堆积的微型激光，这些微型激光具有单个微型激光的稳定性，但可以共同实现更高的功率密度数量级。他们在同行评审杂志《科学》上发表了一项研究，证明了超对称微激光阵列。

使用LiDAR进行光学传感和测距，使用激光的制造和材料处理技术的机器人和自动驾驶汽车是这项研究的许多其他潜在应用中的一部分。

宾夕法尼亚大学材料科学与工程学院和电气与系统工程学院副教授梁峰博士说：“一种实现高功率单模激光器的看似直接的方法是将多个相同的单模激光器耦合在一起以形成激光器阵列。”“直觉上，该激光器阵列将具有增强的发射功率，但是由于与耦合系统相关的复杂性，它还将具有多个超模式。不幸的是，模式之间的竞争使激光器阵列的相干性降低。”

耦合两个激光器会产生两个超模式，但是随着将激光器排列在二维网格中，该数量以平方倍的方式增加，这些二维网格用于光子感测和LiDAR应用。

宾夕法尼亚大学的博士生乔兴都说：“单模操作是至关重要的，因为只有将激光器全部锁相成一个超级模式时，激光器阵列的辐射度和亮度才会随着激光器数量的增加而增加。” “受物理学中超对称性概念的启发，我们可以通过添加耗散的超级伙伴来在激光器阵列中实现这种锁相单模激光。”

在粒子物理学中，超对称性是指两个主要类别的所有基本粒子，玻色子和费米子，在另一类别中都尚未发现的超级伙伴。预测每个粒子的假设超级伙伴的性质的数学工具也可以应用于激光器的性质。

与基本粒子相比，制造单个微激光器的超级伙伴相对简单。复杂性在于调整超对称性的数学变换以产生一个完整的超级伙伴阵列，该阵列具有正确的能级，以抵消除所需的原始单模之外的所有模式。

在进行这项研究之前，超级伙伴激光器阵列只能是一维的，每个激光器元件排成一行。通过解决支配各个元素彼此耦合方向的数学关系，这项新研究展示了一种具有五行五列微型激光的阵列。

“当有损超对称伙伴阵列和原始激光器阵列耦合在一起时，除了基本模式之外的所有超模式都将被消散，从而导致单模式激光发射的功率提高了25倍，功率密度提高了100倍以上Feng计划的博士后研究员高子和博士说：“我们设想通过将通用方案应用于更大的阵列（甚至在三个维度上），可以实现更显着的功率缩放。”

研究还表明，该技术与该团队先前对涡旋激光器的研究相兼容，涡旋激光器可以精确地控制轨道角动量，或激光束如何围绕其行进轴螺旋旋转。操纵光的这种特性的能力可以使光子系统以比以前想象的更高的密度进行编码，将超对称性引入二维激光阵列，构成了潜在的大规模集成光子系统的强大工具箱。

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文章来源：光行天下