新光子學研究為陸軍改進激光、高速計算和光通信鋪平了道路。光子學有望可以以光而非電的形式存儲和傳輸信息，從而改變電子設備的運行。研究人員稱，信息可以根據不同的物理屬性進行分層，再利用光速，可以提高通信速度，同時減少能源浪費。但為實現這一目標，激光等光源需要更小、更強且更穩(wěn)定。

美國陸軍作戰(zhàn)能力發(fā)展司令部（U.S. Army Combat Capabilities Development Command）陸軍研究實驗室（ARO）項目經理James Joseph博士表示：“單模高功率激光被廣泛應用于陸軍重要應用中，為軍人提供各種支持，如光學通信、光學傳感和激光雷達測距。賓夕法尼亞大學（UPenn）的研究結果標志著向打造更加高效、現場的激光光源邁出了重要的一步?！?/p>

利用該技術分層信息的方式可能對光子計算機和通信系統(tǒng)產生重要影響。為了保留由光子設備控制的信息，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的噪聲變化，且改善了其相干性，但結果卻比含有多個同時模態(tài)的激光器亮度更暗，功率更低。

據外媒報道，賓夕法尼亞大學（University of Pennsylvania）和杜克大學（Duke University）的研究人員在陸軍的資助下，設計并制造了二維陣列的緊密堆積的微型激光，不僅具有單個微型激光的穩(wěn)定性，還可以共同實現更高的功率密度數量級，從而為陸軍改進激光、高速計算和光學通信鋪平了道路。

（圖片來源：賓夕法尼亞大學）

機器人和自動駕駛汽車是此項研究的潛在應用。機器人和自動駕駛汽車中會使用LiDAR進行光學傳感和測距，以及使用激光進行制造和材料處理。此項研究的潛在應用包括采用激光雷達技術進行光學傳感和測距，以及制造和材料處理。

材料科學與工程學系副教授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，從而具有增強的發(fā)射功率。但由于耦合系統(tǒng)十分復雜，所以系統(tǒng)將具有多種超模式。而模式間的競爭會使激光器陣列的相干性降低?！?/p>

耦合兩個激光器會產生兩個超模式，但是隨著將激光器排列在用于光子感測和LiDAR應用的二維網格中，該數量以平方倍增加。賓夕法尼亞大學的博士生Xingdu Qiao表示：“單模操作非常重要，因為只有將全部激光器鎖相成一個超級模式時，激光器陣列的輻射度和亮度才會隨著激光器數量的增加而增加。受物理學中超對稱性概念的啟發(fā)，我們可以通過添加耗散的超級伙伴（super-partner）在激光器陣列中實現這種鎖相單模激光?！?/p>

在粒子物理學中，超對稱性是指兩個主要類別玻色子和費米子的所有基本粒子，在另一類別中都具有尚未發(fā)現的超級伙伴。用于預測每個粒子的假設超級伙伴性質的數學工具也可以用于預測激光器性質。

與基本粒子相比，制造單個微激光器的超級伙伴相對簡單。其復雜性在于適應超對稱性的數學變換，從而產生一個完整的具有正確能級的超級伙伴陣列，可以抵消所需的原始單模之外的所有模式。

在進行這項研究之前，超級伙伴激光器陣列只能是一維的，每個激光器元件排成一行。解決支配各個元素彼此耦合方向的數學關系后，這項新研究展示出一種具有五行五列微型激光的陣列。

參與此項目的博士后Zihe Gao表示：“當有損超對稱伙伴陣列和原始激光器陣列耦合在一起時，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。我們設想通過將通用方案應用于更大的陣列（甚至在三個維度上），從而實現更顯著的功率縮放。其背后的工程原理相同。”

研究還表明，該技術與該團隊先前對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量，或激光束如何圍繞其行進軸螺旋旋轉?？刂乒馓匦钥梢允构庾酉到y(tǒng)以更高的密度進行編碼。Feng稱：“將超對稱性引入二維激光陣列，可構成潛在的大規(guī)模集成光子系統(tǒng)的強大工具箱?！?/p>