ペサハ・ベンソン • 2026年3月11日

エルサレム、2026年3月11日（TPS-IL）– イスラエルの科学者たちは、多数の小型半導体レーザーからの光を、エネルギー損失を最小限に抑えながら単一の光ファイバーに結合できる微小な光学デバイスを開発しました。これにより、高出力レーザーシステム、光通信、センシングおよびイメージングシステムを簡素化できる可能性があります。

ヘブライ大学（エルサレム）の研究チームは、同大学応用物理学科のダン・M・マロム教授の指導の下、大学院生のヨアヴ・ダナが率いるチームで、フォトニックランタンとして知られる微小な3Dプリントデバイスを作成しました。このデバイスは、多くのレーザーからの光を、明るさを維持しながら単一のマルチモード光ファイバーに融合させることができます。彼らの主なブレークスルーは、このデバイスが、以前のフォトニックランタンのデザインでは不可能だった、複数の空間モードを発するレーザーからの光を効率的に結合できることを示したことです。

光ファイバーでは、光は常に単一の狭いビームとして伝播するわけではありません。代わりに、断面全体にわたってさまざまなパターンでファイバー内を移動できます。これらのパターンを空間モードと呼びます。シングルモードファイバーでは1つの光パターンのみが伝播できますが、マルチモードファイバーでは、複数のパターンが同時に移動でき、それぞれがファイバー内をわずかに異なる経路をたどります。一般的なアナロジーでは、空間モードをトンネル内の車線に例えることができます。狭いトンネルは1車線しか許容しませんが、広いトンネルは複数の車線を許容し、各車線は光をファイバーに伝送する異なる空間モードを表します。

高出力レーザーシステムは、より大きな出力を達成するために、多くの小型レーザーからの光を結合することに依存することがよくあります。しかし、これらの光源を効率的にファイバーに結合することは、特にレーザーが複数の空間モードの光を発する場合、長らく技術的な課題となってきました。従来のフォトニックランタンはシングルモード入力用に設計されていたため、光通信、センシングシステム、高出力産業用レーザーで広く使用されている高出力垂直共振器面発光レーザーアレイ（VCSEL）によって生成されるマルチモード光には不向きでした。

ヘブライ大学のチームは、慎重に設計された光学遷移を通じて、複数のマルチモードレーザー光源を単一のマルチモードファイバーにスムーズに融合させる新しいタイプのマルチモードフォトニックランタンを設計することで、この問題​​を解決しました。

VCSELチップに直接印刷されたマイクロスケールのフォトニックランタンの描写。Credit Yoav Dana/TPS-IL

実験において、科学者たちは7個、19個、さらには37個のVCSELレーザーを単一のファイバーに結合できるデバイスを実証しました。各レーザーは複数の空間モードの光を生成するため、システムは合計で最大222の空間モードをサポートできました。

数十個のレーザー入力を結合しているにもかかわらず、デバイスは非常に小型のままでした。フォトニックランタン全体の構造は長さが0.5ミリメートル未満であり、レンズやより大きな光学アセンブリに依存する従来の光多重化システムよりも桁違いに小さいです。

これらのデバイスは高い効率も維持しており、19入力デバイスで約0.6デシベル、37入力バージョンで約0.8デシベルという低い結合損失を実現しました。

新しいフォトニックランタンは、多くの小型レーザーの出力を単一のファイバーに結合することで高出力レーザーシステムを変革する可能性があり、従来のシステムよりもはるかに小型でコンパクトなデバイスで強力で集束されたビームを生成します。その微小なサイズと高い効率は、スペースが限られている用途に理想的であり、依然としてかなりの光出力を提供するポータブルまたは小型化されたレーザー技術を可能にします。

フォトニックランタンは、光ファイバーネットワークのデータ容量を大幅に増加させ、光通信、センシング、科学研究の進歩を可能にする可能性があります。これらは、医療画像処理、自動運転車やロボット工学向けのLiDARにおけるより正確な測定をサポートし、天文学における複雑な光源のキャプチャとチャネリングを可能にします。

イスラエル・イノベーション庁からの資金提供を受け、イスラエルの企業Civan Lasersと共同で実施されたこの研究は、査読付きジャーナル『Nature Communications』に掲載されました。