מאת פֶּסַח בֶּנְסוֹן • 11 במרץ 2026
ירושלים, 11 במרץ 2026 (TPS-IL) — מדענים ישראלים פיתחו התקן אופטי מיקרוסקופי שיכול לשלב אור מעשרות לייזרים מוליכי-על קטנים לתוך סיב אופטי יחיד עם אובדן אנרגיה מינימלי, מה שעשוי לפשט מערכות לייזר בעלות הספק גבוה, תקשורת אופטית ומערכות חישה והדמיה.
צוות חוקרים באוניברסיטה העברית בירושלים – בראשות סטודנט לדוקטורט, יואב דנה, בהנחיית פרופסור דן מ. מארוֹם מהמכון לפיזיקה יישומית באוניברסיטה – יצר התקן זעיר מודפס בתלת-ממד המכונה "פנס פוטוני" (photonic lantern), המסוגל למזג אור מלייזרים רבים לתוך סיב אופטי יחיד בעל מספר אופני התפשטות (multimode), תוך שמירה על עוצמת האור. פריצת הדרך העיקרית שלהם הייתה ההדגמה שההתקן יכול לשלב ביעילות אור מלייזרים הפולטים מספר אופני התפשטות מרחביים – משהו שעיצובים קודמים של פנסים פוטוניים לא יכלו לעשות.
בסיב אופטי, אור לא תמיד נע כקרן צרה אחת. במקום זאת, הוא יכול לנוע דרך הסיב בתבניות שונות על פני חתך הרוחב שלו. תבניות אלו נקראות אופני התפשטות מרחביים (spatial modes). בסיב בעל אופן התפשטות יחיד (single-mode), רק תבנית אור אחת יכולה לנוע, בעוד שבסיב בעל מספר אופני התפשטות (multimode), מספר תבניות יכולות לנוע בו-זמנית, כל אחת נוטלת מסלול מעט שונה דרך הסיב. אנלוגיה נפוצה משווה אופני התפשטות מרחביים לנתיבים במנהרה: מנהרה צרה מאפשרת רק נתיב תנועה אחד, בעוד שמנהרה רחבה יותר מאפשרת מספר נתיבים, כאשר כל נתיב מייצג אופן התפשטות מרחבי שונה המוביל אור דרך הסיב.
מערכות לייזר בעלות הספק גבוה מסתמכות לעיתים קרובות על שילוב אור מלייזרים קטנים רבים כדי להשיג תפוקה גדולה יותר. עם זאת, צימוד יעיל של מקורות אלו לסיב היווה אתגר טכני במשך זמן רב, במיוחד כאשר הלייזרים פולטים מספר אופני התפשטות מרחביים של אור. פנסים פוטוניים מסורתיים תוכננו עבור כניסות בעלות אופן התפשטות יחיד, מה שהפך אותם ללא מתאימים לאור מרובה אופני התפשטות המופק ממערכי לייזרים פולטי-על אנכיים (VCSELs) בעלי הספק גבוה, המשמשים באופן נרחב בתקשורת אופטית, מערכות חישה ולייזרים תעשייתיים בעלי הספק גבוה.
צוות האוניברסיטה העברית פתר בעיה זו על ידי תכנון סוג חדש של פנס פוטוני מרובה אופני התפשטות, המאפשר למקורות לייזר מרובים בעלי אופני התפשטות למזג בצורה חלקה לסיב יחיד מרובה אופני התפשטות דרך מעבר אופטי הנדסי בקפידה.
בניסויים, המדענים הדגימו התקנים המסוגלים לשלב 7, 19, ואף 37 לייזרי VCSEL לתוך סיב יחיד. מכיוון שכל לייזר מייצר מספר אופני התפשטות של אור, המערכת הצליחה לתמוך בעד 222 אופני התפשטות מרחביים בסך הכל.
למרות שילוב של עשרות כניסות לייזר, ההתקנים נותרו קטנים ביותר. מבנה הפנס הפוטוני כולו הוא באורך של פחות מחצי מילימטר, קטן בסדרי גודל רבים ממערכות ריבוב אופטיות מסורתיות המסתמכות על עדשות ומכלולים אופטיים גדולים יותר.
ההתקנים גם שמרו על יעילות גבוהה, עם אובדן צימוד נמוך ככל 0.6 דציבלים עבור התקן עם 19 כניסות וכ-0.8 דציבלים עבור גרסה עם 37 כניסות.
הפנסים הפוטוניים החדשים עשויים לחולל מהפכה במערכות לייזר בעלות הספק גבוה על ידי שילוב הפלט של לייזרים קטנים רבים לסיב יחיד, והפקת אלומות עוצמתיות ומרוכזות במכשיר קטן וקומפקטי בהרבה ממערכות מסורתיות. גודלם המיקרוסקופי ויעילותם הגבוהה הופכים אותם לאידיאליים ליישומים בהם המקום מוגבל, ומאפשרים טכנולוגיות לייזר ניידות או ממוזערות שמספקות עדיין הספק אופטי משמעותי.
פנסים פוטוניים יכולים להגדיל משמעותית את קיבולת הנתונים של רשתות סיבים אופטיים ולאפשר התקדמות בתקשורת אופטית, חישה ומחקר מדעי. הם תומכים במדידות מדויקות יותר בהדמיה רפואית, LiDAR לרכבים אוטונומיים ורובוטיקה, ויכולים ללכוד ולהעביר מקורות אור מורכבים באסטרונומיה.
המחקר, שמומן על ידי רשות החדשנות הישראלית ונערך בשיתוף חברת Civan Lasers הישראלית, פורסם בכתב העת המוערך Nature Communications.