Umkonfigurierbare Erzeugung und Multiplexing räumlicher Modi auf einem skalierbaren photonischen Chip

Lichtmuster als Informationsautobahnen

Unsichtbare Muster in einem Lichtstrahl zeichnen sich als neue „Autobahnen“ für Daten sowie als leistungsfähige Werkzeuge für Sensorik und Rechnersysteme ab. Anstatt nur Helligkeit oder Farbe zu nutzen, können Ingenieure Informationen in der Form und Polarisation des Lichts selbst kodieren. Diese Arbeit stellt einen winzigen programmierbaren Siliziumchip vor, der diese komplexen Lichtmuster nach Bedarf formen kann und so die Art und Weise verändern könnte, wie künftige Kommunikationsnetze, Mikroskope und Quantenhardware Informationen verarbeiten.

Warum das Formen von Licht wichtig ist

Lichtstrahlen sind nicht alle gleich: Ihre Energie kann in unterschiedlichen räumlichen Mustern angeordnet sein, sogenannten Modi. Manche erscheinen als einfache Punkte, andere als Ringe mit dunklem Zentrum („Donuts“) oder als Muster mit mehreren hellen Lappen. Diese räumlichen Modi können wie zusätzliche Fahrspuren in einer Glasfaser wirken und viele Datenkanäle gleichzeitig ohne gegenseitige Störung transportieren. Sie sind außerdem wichtige Werkzeuge in der präzisen Sensorik und in Experimenten, in denen einzelne Lichtteilchen Quanteninformation tragen. Das Problem ist, dass die heutigen Mittel zur Erzeugung und zum Umschalten zwischen diesen Modi oft sperrig, empfindlich und auf feste Muster beschränkt sind.

Komplexes Licht auf einen Chip bringen

Die Autorinnen und Autoren gehen dieses Problem an, indem sie die Erzeugung räumlicher Modi auf einen kompakten Silizium-photonischen Chip verlagern — ähnlich einem elektronischen Chip, der jedoch Licht statt Elektronen leitet. Ihr Design kombiniert zwei Hauptbausteine. Erstens teilt eine programmierbare lineare optische Schaltung einen eingehenden Strahl in mehrere Pfade auf und stellt deren relative Stärke und Phase präzise ein — also wie die Lichtwellen zeitlich zueinander liegen. Zweitens wandelt ein Generator für Bahndrehimpuls diese sorgfältig angeordneten Pfade mithilfe eines Arrays winziger Antennen in wirbelnde, ringförmige Lichtstrahlen um. Indem diese wirbelnden Strahlen als flexibles „Basis-Set“ behandelt werden, kann der Chip sie dann mischen und neu kombinieren, um viele verschiedene Ausgangsmodi zu erzeugen.

Von Wirbeln zu Streifen und darüber hinaus

Die zentrale Idee ist, Bahndrehimpuls-(OAM-)Modi — Lichtstrahlen, deren Wellenfronten wie eine Korkenzieherspirale verdreht sind — als universelle Bausteine zu verwenden. Auf dem Chip werden verschiedene OAM-Modi mit links- oder rechtszirkularer Polarisation erzeugt und anschließend kontrolliert kombiniert. Durch die richtige Mischung und zeitliche Abstimmung von vier Eingangsmodi gleichen Ordners kann das Gerät bekanntere linear polarisierte (LP-)Modi rekonstruieren, die wie gestreifte oder gelappte Muster erscheinen, oder exotischere zylindrische Vektormodi (CV), bei denen sich die Polarisationsrichtung über den Strahl hinweg ändert. Simulationen zeigen, dass diese Strategie prinzipiell eine große Familie von Modi erzeugen kann, wobei die Anzahl verfügbarer Muster mit der Unterstützung höherer OAM-Ordnungen linear wächst.

Was die Experimente zeigten

Mithilfe eines Proof-of-Concept-Chips erzeugte das Team experimentell zehn verschiedene OAM-Modi und acht LP-Modi. Sie überprüften die Verdrehung jedes OAM-Strahls, indem sie ihn mit einem einfachen Referenzstrahl interferierten und spiralige Interferenzfransen beobachteten, und bestätigten die erwarteten mehrlappigen Muster und Polarisationsrichtungen für die LP-Modi. Da reale Geräte nie perfekt sind, kalibrierten die Autorinnen und Autoren sorgfältig die Phasenversteller und Dämpfer auf dem Chip, um „Crosstalk“ zu reduzieren, also Übersprechen zwischen Modi. Nach dem Feinabgleich wurde die schlimmste unerwünschte Leckage für einen Schlüsselmodus auf etwa ein Zehntel der Signalleistung reduziert, und die Gesamt„Reinheit“ der erzeugten Modi wurde quantifiziert. Sie analysierten außerdem, wie Unvollkommenheiten in den winzigen Antennen und Wellenleitern die Leistung begrenzen, und skizzierten einfache Designanpassungen — etwa dichter gepackte Antennen und zusätzliche Steuerelemente —, die die Modi weiter bereinigen und hochwertige CV-Strahlen ermöglichen könnten.

Auf dem Weg zu flexiblen lichtbasierten Systemen

Vereinfacht gesagt zeigt diese Arbeit, dass ein einzelner programmierbarer Chip als universeller Bildhauer von Lichtmustern dienen kann und zwischen verschiedenen Mode-Familien wechselt, ohne die Hardware neu entwerfen zu müssen. Obwohl das aktuelle Gerät nur einen Teil dessen demonstriert, was theoretisch möglich ist, skaliert seine Architektur gut und könnte mit überschaubaren Erweiterungen deutlich höherordentliche Muster unterstützen. Solche rekonfigurierbaren Erzeuger und Empfänger räumlicher Modi könnten zu wesentlichen Bausteinen künftiger optischer Netze werden, die sich dynamisch an wechselnden Datenverkehr anpassen, sowie zu Plattformen für Quanteninformationsverarbeitung, fortgeschrittene Bildgebung und On-Chip-Machine-Learning-Systeme, die direkt mit strukturierter Strahlung rechnen.

Zitation: Xiao, X., Chen, Y., Bhandari, B. et al. Reconfigurable spatial-mode generation and multiplexing on a scalable photonic chip. npj Nanophoton. 3, 19 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00115-7

Schlüsselwörter: strukturierte Strahlung, Siliziumphotonik, räumliche Modi, Bahndrehimpuls, Mode-Multiplexing