新光子學(xué)研究為陸軍改進(jìn)激光、高速計(jì)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(chǔ)和傳輸信息，從而改變電子設(shè)備的運(yùn)行。研究人員稱，信息可以根據(jù)不同的物理屬性進(jìn)行分層，再利用光速，可以提高通信速度，同時(shí)減少能源浪費(fèi)。但為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，激光等光源需要更小、更強(qiáng)且更穩(wěn)定。

美國(guó)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(shí)驗(yàn)室（ARO）項(xiàng)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(dá)測(cè)距。賓夕法尼亞大學(xué)（UPenn）的研究結(jié)果標(biāo)志著向打造更加高效、現(xiàn)場(chǎng)的激光光源邁出了重要的一步?！?/p>

利用該技術(shù)分層信息的方式可能對(duì)光子計(jì)算機(jī)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(gè)同時(shí)模態(tài)的激光器亮度更暗，功率更低。

據(jù)外媒報(bào)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(jì)并制造了二維陣列的緊密堆積的微型激光，不僅具有單個(gè)微型激光的穩(wěn)定性，還可以共同實(shí)現(xiàn)更高的功率密度數(shù)量級(jí)，從而為陸軍改進(jìn)激光、高速計(jì)算和光學(xué)通信鋪平了道路。

（圖片來(lái)源：賓夕法尼亞大學(xué)）

機(jī)器人和自動(dòng)駕駛汽車是此項(xiàng)研究的潛在應(yīng)用。機(jī)器人和自動(dòng)駕駛汽車中會(huì)使用LiDAR進(jìn)行光學(xué)傳感和測(cè)距，以及使用激光進(jìn)行制造和材料處理。此項(xiàng)研究的潛在應(yīng)用包括采用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行光學(xué)傳感和測(cè)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(gè)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(qiáng)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(jìng)爭(zhēng)會(huì)使激光器陣列的相干性降低?！?/p>

耦合兩個(gè)激光器會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)超模式，但是隨著將激光器排列在用于光子感測(cè)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?yàn)橹挥袑⑷考す馄麈i相成一個(gè)超級(jí)模式時(shí)，激光器陣列的輻射度和亮度才會(huì)隨著激光器數(shù)量的增加而增加。受物理學(xué)中超對(duì)稱性概念的啟發(fā)，我們可以通過(guò)添加耗散的超級(jí)伙伴（super-partner）在激光器陣列中實(shí)現(xiàn)這種鎖相單模激光?！?/p>

在粒子物理學(xué)中，超對(duì)稱性是指兩個(gè)主要類別玻色子和費(fèi)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(jí)伙伴。用于預(yù)測(cè)每個(gè)粒子的假設(shè)超級(jí)伙伴性質(zhì)的數(shù)學(xué)工具也可以用于預(yù)測(cè)激光器性質(zhì)。

與基本粒子相比，制造單個(gè)微激光器的超級(jí)伙伴相對(duì)簡(jiǎn)單。其復(fù)雜性在于適應(yīng)超對(duì)稱性的數(shù)學(xué)變換，從而產(chǎn)生一個(gè)完整的具有正確能級(jí)的超級(jí)伙伴陣列，可以抵消所需的原始單模之外的所有模式。

在進(jìn)行這項(xiàng)研究之前，超級(jí)伙伴激光器陣列只能是一維的，每個(gè)激光器元件排成一行。解決支配各個(gè)元素彼此耦合方向的數(shù)學(xué)關(guān)系后，這項(xiàng)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(xiàng)目的博士后Zihe Gao表示：“當(dāng)有損超對(duì)稱伙伴陣列和原始激光器陣列耦合在一起時(shí)，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?cè)O(shè)想通過(guò)將通用方案應(yīng)用于更大的陣列（甚至在三個(gè)維度上），從而實(shí)現(xiàn)更顯著的功率縮放。其背后的工程原理相同。”

研究還表明，該技術(shù)與該團(tuán)隊(duì)先前對(duì)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(dòng)量，或激光束如何圍繞其行進(jìn)軸螺旋旋轉(zhuǎn)?？刂乒馓匦钥梢允构庾酉到y(tǒng)以更高的密度進(jìn)行編碼。Feng稱：“將超對(duì)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(qiáng)大工具箱?！?/p>