高维超对称微激光阵列

宾夕法尼亚大学的工程师们基于超对称理论背后的数学原理，设计并构建了紧密排列的二维微激光器阵列，这种阵列具有单个微激光器的稳定性，同时可以实现更高数量级的功率密度。相关论文发表在《Science 》上。

光子学的目标是通过以光的形式而不是电的形式存储和传输信息来改变各种各样的电子设备。信息可以以其各种物理特性进行分层的方式，使诸如光子计算机和通信系统之类的设备极具前景。

集成光子技术的迅速发展，不断突破集成密度的极限，为未来集成光子网络和器件的规模化提供了解决方案。然而，随着集成光子学中组件数量的增加，非线性缩放的复杂度是大规模锁相激光器阵列的主要障碍。光的波动性导致了紧密排列在阵列中的光子元件之间不可避免的相互耦合。因此，相互耦合的控制是锁相所有元件并进一步驱动它们共同工作的关键。例如，相干性和同步性对于高辐射率的光发射器和激光器是至关重要的。在为增强激光谐振器之间的相互相干性而开发的各种策略中，基于倏逝波耦合的策略利用了强光学约束（如微米和纳米级谐振器和波导），并在深亚波长区域运行，正接近积分密度的极限。倏逝波耦合的一个主要缺点是其内在关联的能量分裂，导致复杂的模式竞争，从而导致能量效率低下和不规则，混沌辐射。替代方法，包括抗导，衍射和天线耦合，其要求精心设计的光模泄漏以在元件之间进行通信，这最终也限制了它们的小型化和密集包装。

论文的第一作者乔说：“单模操作至关重要，因为只有当所有激光器都被锁相成一个超模时，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。” 他说：“受到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”（“superpartners”）来在激光阵列中实现这种锁相单模激光。”

在粒子物理学中，超对称是一种理论，即两个主要类别的所有基本粒子，认为玻色子和费米子这两大类的所有基本粒子在另一类中都有一个尚未发现的“超级伙伴”。研究人员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转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。

先前的工作中，超级伙伴激光器阵列只能是一维的，每个激光器元件都排成一排。通过解决控制各个元素彼此耦合方向的数学关系，他们的新研究证明了一个具有五行五列微激光器的阵列。 他们展示了一种基于高维超对称性（SUSY）的形式主义，用于在二维（2D）倏逝耦合微激光器阵列中实现相位锁定和相干振荡，为实现集成高辐射源同时保持每个微激光器的单独可控性开辟了途径。这种高维超对称微激光阵列是一个由5×5的瞬逝耦合微环激光器主阵列（红色），与其两个耗散超合作伙伴阵列和三个辅助合作伙伴微环（蓝色）耦合，如图1。通过实验表征，与单个微环激光器相比，SUSY微激光器阵列可有效产生高辐射度，小发散的激光束，并提高能量密度几个数量级。同时，将SUSY原理发展为更高的尺寸，构成了一个强大的工具箱，可有效地调整大规模光子阵列中的耦合，以使密集排列的阵列元件同步并规定所需的振荡超模。

图1. 高维超对称微激光阵列。

论文作者Gao说“当有损耗的超对称伙伴阵列和原始激光器阵列耦合在一起时，除基本模式之外的所有超模式都被消散，从而产生功率为原始阵列25倍、功率密度超过100倍的单模激光。我们设想通过将我们的通用方案应用于更大的阵列（甚至在三个维度上），可以实现更加显着的功率缩放。其背后的工程原理是相同的。”

研究人员还表明，他们的技术与他们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。

美国陆军作战能力发展部门陆军研究办公室项目经理詹姆斯·约瑟夫（James Joseph）说，“单模大功率激光被广泛用于各种重要应用中，包括光学通信，光学传感和激光雷达测距”。 宾夕法尼亚大学的研究结果标志着朝着创建更高效，更现场的激光源迈出了重要的一步。”

这种微激光阵列是通用的，适用于各种平台，例如，耦合垂直腔面发射激光器或耦合纳米激光器。此外，激光辐射的位相前沿和偏振态都可以空间结构化，未来将充分利用空间自由度在下一代经典和量子集成光子系统中进行部署。