חוקרים מהאוניברסיטה העברית ומ־Civan Lasers פיתחו התקן זעיר שמחבר ישירות 7, 19 ואף 37 מקורות לייזר רב־אופניים לסיב אופטי רב־אופני יחיד. התוצאה היא שילוב עוצמה גבוה, אובדן נמוך ומבנה קומפקטי במיוחד, שעשוי לשפר מערכות לייזר עתירות־הספק, תקשורת אופטית ויישומים פוטוניים נוספים.
מחקר חדש של האוניברסיטה העברית בירושלים מציג התקדמות טכנולוגית מרשימה בתחום הפוטוניקה: התקן אופטי מיקרוסקופי, מודפס בתלת־ממד, שמאפשר לרכז אור מעשרות לייזרים זעירים אל תוך סיב אופטי יחיד בלי לשלם מחיר כבד באובדן אור ובאיכות האלומה. המאמר, שהתפרסם ב־Nature Communications, נכתב בהובלת תלמיד המחקר יואב דנה ממכון הפיזיקה היישומית, בהנחיית פרופ' דן מרום, ובשיתוף חוקרים מ־Civan Lasers בירושלים.
ההתקן נקרא Photonic Lantern, או "פנס פוטוני", והוא אינו חדש כרעיון. בדרך כלל מדובר במרכיב אופטי שממיר כמה כניסות חד־אופניות לגל־מנחה רב־אופני יחיד. הבעיה היא שמקורות לייזר חזקים ונפוצים בתעשייה, במיוחד מערכי VCSEL, אינם פולטים אור חד־אופני אלא רב־אופני. לכן פנסים פוטוניים קלאסיים לא התאימו להם היטב. כאן נכנס החידוש של הקבוצה הירושלמית: במקום להתאים את העולם למרכיב הקיים, היא תכננה ארכיטקטורה חדשה של פנס פוטוני רב־אופני, שמסוגלת לקבל הרבה מקורות רב־אופניים ולרכז אותם ישירות לסיב רב־אופני בעל קיבול אופני מתאים.
בפועל, החוקרים הדגימו שלושה דורות של ההתקן: גרסאות שמרכזות 7, 19 ו־37 לייזרי VCSEL רב־אופניים, כאשר כל לייזר תורם שישה אופנים מרחביים. המשמעות היא שהמערכת הגדולה ביותר כבר מגיעה ל־222 אופנים מרחביים בתוך סיב יחיד. זהו מספר חריג מאוד עבור מבנה כה קטן, והוא ממחיש עד כמה הגישה הזאת עשויה להיות שימושית בכל מקום שבו צריך להעביר עוצמה אופטית גבוהה דרך סיב בלי להסתבך במערכים מגושמים של עדשות, מראות ויישור עדין.
קטן מאוד, יעיל מאוד
אחד ההישגים הבולטים במחקר הוא הממדים. לפי החוקרים, כל ההתקן קצר מפחות מחצי מילימטר, כלומר קטן בסדרי גודל לעומת מערכות מיתוג או צימוד אופטיות מתחרות. למרות זאת, ההפסדים נשארו נמוכים מאוד: בגרסת 19 הכניסות נמדד אובדן צימוד של כ־0.6 דציבל, ובגרסת 37 הכניסות כ־0.8 דציבל בלבד. במונחים של מערכות לייזר, זהו נתון חשוב מאוד, משום שאובדן קטן יותר פירושו יותר הספק מועבר, פחות חימום, ופחות צורך בהשלמה באמצעות מערכות נוספות.
יתרון נוסף הוא שמירת ה־brightness, כלומר הבהיקות או איכות האלומה ביחס להספק. במערכות מסורתיות, במיוחד כאלה המבוססות על מערכי עדשות או על ריכוז גס של אלומות, ריבוי המקורות עלול לפגוע באיכות הקרן. כאן החוקרים ניסו להתאים מראש בין מספר דרגות החופש של מקורות הלייזר לבין הקיבול האופני של הסיב, וכך לשמר את איכות האור במקום רק "לדחוף" כמה שיותר פוטונים פנימה. זהו הבדל קריטי אם המטרה אינה רק להעביר אור, אלא להעביר אור שימושי עבור מערכות לייזר, עיבוד חומרים, תקשורת או חישה. (PubMed)
המבנה עצמו הודפס ישירות בקנה מידה מיקרוני על גבי שבב ה־VCSEL, ולאחר מכן חובר לסיב הרב־אופני. זהו עוד מרכיב חשוב בפריצת הדרך: לא רק תכנון אופטי חדש, אלא גם שיטת ייצור שמאפשרת אינטגרציה ישירה וצפופה מאוד בין רכיב אלקטרו־אופטי לבין הגל־מנחה. בגישה כזאת אפשר לדמיין בעתיד רכיבים מוכנים מראש, קומפקטיים וזולים יותר להרכבה, שיצאו מן המפעל כבר עם ממשק אופטי משולב במקום להסתמך על יישור מכני רגיש ומסובך. (en-science.huji.ac.il)
למה זה חשוב לתעשייה
למערכי VCSEL יש יתרונות גדולים: הם קטנים, יעילים, מתאימים לייצור המוני, ונפוצים כבר היום בתקשורת, בחישה ובמערכות תאורה ולייזר. הבעיה היא שכאשר רוצים לעלות בהספק, עוברים מהר מאוד ממקור יחיד למערכים גדולים, ואז הצימוד לסיב נעשה מסורבל. לכן הפתרון שהוצג כאן עשוי להיות חשוב במיוחד עבור מערכות לייזר עתירות־הספק, שבהן צריך לאגד הרבה מקורות לא קוהרנטיים אל תוך סיב אחד, מבלי לבנות מערכת אופטית גדולה ויקרה סביבם. האוניברסיטה העברית ציינה במפורש שהטכנולוגיה עשויה לשפר מערכות לייזר חזקות, תקשורת אופטית ויישומים נוספים שבהם מסירה יעילה של הספק אופטי גבוה דרך סיב היא תנאי קריטי.
המחקר גם מתחבר היטב לעולם התעשייתי הישראלי. הוא בוצע בשיתוף Civan Lasers, חברה ירושלמית המפתחת לייזרים תעשייתיים, ונתמך בידי רשות החדשנות. החיבור הזה בין פיזיקה יישומית, ייצור מתקדם ושותף תעשייתי אינו מקרי: אם הטכנולוגיה אכן תעבור מן המעבדה למוצר, היישום הטבעי הראשון שלה צפוי להיות בדיוק במערכות שבהן משלבים הרבה לייזרים קומפקטיים כדי לקבל הספק גבוה, יציב ויעיל יותר.
בשורה התחתונה, לא מדובר רק בעוד רכיב אופטי קטן ומרשים, אלא בשינוי תפיסתי: אפשר לקחת עשרות מקורות לייזר רב־אופניים, שהיו עד היום קשים לריכוז יעיל, ולחבר אותם במבנה מודפס, זעיר ואינטגרטיבי, ישירות אל סיב יחיד. אם הכיוון הזה יבשיל לטכנולוגיה תעשייתית, הוא עשוי להפחית מורכבות, להקטין מערכות ולהגדיל הספק במגוון רחב של יישומים פוטוניים.
פרטי המאמר:
Yoav Dana et al., Massive-scale spatial multiplexing of multimode VCSELs with a 3D-printed photonic lantern, Nature Communications (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-70458-4. (Nature)
