Herschikbare generatie en detectie van modes in vrije ruimte mogelijk gemaakt door een actief fotonisch geïntegreerd circuit gekoppeld aan een passieve mode-selectieve interface

Complex licht gebruiken als een bruikbaar instrument

Moderne technologieën — van supersnelle internetverbindingen tot kwantumcommunicatie — worden steeds minder beperkt door hoeveel licht we kunnen opwekken en steeds meer door hoe slim we het kunnen vormen en uitlezen. Dit artikel presenteert een nieuw soort optische chip die snel kan herschikken hoe hij ingewikkelde lichtpatronen die door de open ruimte reizen, verwerkt. Voor een niet-specialist ligt de meerwaarde in wat dit mogelijk maakt: meer data over dezelfde verbinding, scherpere sensoren en communicatiesystemen die zich in realtime kunnen aanpassen aan mist, turbulentie of zelfs bewegende platformen zoals satellieten en drones.

Waarom het vormen van lichtpatronen ertoe doet

Een lichtbundel is niet slechts een eenvoudige vlek; hij kan rijke structuren dragen in helderheid en fase over de ruimte. Verschillende structuren, of “modes”, kunnen wiskundig onafhankelijk van elkaar worden gemaakt, waardoor veel kanalen dezelfde golflengte licht kunnen delen zonder elkaar te storen. Decennialang hebben onderzoekers optische apparaten gebouwd die zulke modes scheiden of creëren, maar de meeste zijn vast: ze zijn ontworpen voor één specifieke set patronen en zijn niet gemakkelijk te wijzigen. Wanneer de omgeving verandert — zoals turbulente lucht boven een stad — passen die vaste apparaten niet langer bij het binnenkomende licht en neemt de prestatie af. Een echt flexibele mode-sorteerder die in realtime kan worden geherprogrammeerd, zou communicatie- en sensorsystemen in staat stellen zich aan te passen aan hun omgeving en efficiënt te blijven werken.

Vrije-ruimteoptica gecombineerd met een kleine chip

De onderzoekers combineren twee krachtige ideeën: een passieve “optische mode-selectieve interface” die in vrije ruimte werkt, en een actief fotonisch geïntegreerd circuit op een siliciumchip. Het vrije-ruimtegedeelte is een stapel van zes dunne fase-vormende elementen, bekend als een multiple-plane light converter. Samen vormen ze binnenkomende bundels zo om dat elk gewenst lichtpatroon wordt getransformeerd tot een kleine bijna-Gaussiaanse spot die op een van de 15 kleine oppervlaktekoppelaars op de chip landt. In feite zet deze voorkant een ingewikkeld tweedimensionaal lichtpatroon om in een set van 15 schone ingangskanalen, waarmee een 15-dimensionale moduerruimte wordt gedefinieerd. Binnenin de chip kan een mesh van interferometers — golfgeleiderlussen waarvan het gedrag wordt gestuurd door kleine verwarmingselementen — deze kanalen vervolgens mengen met precieze controle over hun relatieve helderheid en fase.

Een lichtmixer die kan worden geherprogrammeerd

Omdat de chip controleert hoe de 15 ingangen worden gecombineerd, kan hij elektronisch worden geherprogrammeerd om bijna elk patroon te selecteren dat kan worden beschreven als een mengsel van de basismodussen die door de interface zijn gedefinieerd. In de ene richting functioneert het apparaat als een sorteerder: als een gekozen mode het systeem raakt, leidt de chip het vermogen naar een enkele “signaal”-poort terwijl andere, orthogonale modes naar afzonderlijke uitgangen worden gestuurd. In de tegenovergestelde richting maakt het voeden van licht in die signaalpoort het mogelijk dat chip en interface samen een op maat gemaakte bundel in vrije ruimte genereren. Het team demonstreert deze flexibiliteit door te werken met vier verschillende volledige sets van elk 15 modes, waaronder bekende gestructureerde bundels en meer exotische patronen die doelbewust over alle ingangen zijn verspreid. Ze rapporteren geringe cross-talk tussen modes (ongeveer –22 dB gemiddeld) en tonen aan dat het systeem bijna 20.000 keer per seconde kan worden geherprogrammeerd, hoofdzakelijk beperkt door hoe snel de verwarmingselementen kunnen opwarmen en afkoelen.

De grenzen van gepixelde arrays doorbreken

Conventionele optische phased arrays — roosters van emitter- of detector elementen op chips — worden geconfronteerd met strikte afstandsregels die worden opgelegd door het Nyquist-samplingprincipe: om fijne ruimtelijke details trouw weer te geven, zijn veel dicht op elkaar geplaatste elementen nodig. Dit leidt snel tot twee problemen: verspilling van licht in ongewenste richtingen (grating lobes) en crosstalk tussen naburige golfgeleiders wanneer ze te dicht bij elkaar worden geplaatst. De nieuwe aanpak omzeilt deze problemen door de mode-selectieve interface te gebruiken om elk heel lichtpatroon op slechts één chip-koppelaar te projecteren. Dat betekent dat veel minder on-chip elementen nodig zijn — meer dan een viervoudige vermindering vergeleken met een rechttoe-rechtaan pixelrooster voor vergelijkbare prestaties — en die elementen kunnen wijd genoeg worden geplaatst om zowel overmatig verlies als ongewenste koppeling te vermijden.

Gevolgen voor toekomstige communicatie en sensing

Voor een brede lezersgroep toont dit werk hoe een ontembare, complexe lichtbundel kan worden omgezet in een set schone, snel herconfigureerbare kanalen zonder telkens de hardware opnieuw te ontwerpen. De combinatie van een vaste maar efficiënte vrije-ruimteinterface en een programmeerbare optische chip creëert een algemene motor voor het vormen en analyseren van lichtpatronen. De auteurs stellen dat, met gefabriceerde in plaats van prototypecomponenten, de totale verliezen teruggebracht kunnen worden tot slechts een paar decibel, en dat de snelheden kunnen stijgen van tientallen kilohertz naar megahertz of zelfs gigahertz met snellere modulatoren. Zo’n systeem zou adaptieve verbindingen tussen grondstations en satellieten kunnen ondersteunen, robuuste vrije-ruimte dataverbindingen in turbulente lucht, en flexibele optische sensoren die hun bundels afstemmen op complexe omgevingen — allemaal door licht zelf binnen een chip te herschikken.

Bronvermelding: Boldin, A., Daly, U.J., Milanizadeh, M. et al. Reconfigurable free-space mode generation and detection enabled by an active photonic integrated circuit coupled to a passive mode-selective interface. Commun Phys 9, 133 (2026). https://doi.org/10.1038/s42005-026-02522-w

Trefwoorden: fotonische geïntegreerde schakelingen, vrije-ruimte optische communicatie, modemultiplexing, gestructureerd licht, adaptieve optica