Перенастраиваемая генерация и мультиплексирование пространственных мод на масштабируемом фотонном чипе

Световые шаблоны как информационные магистрали

Невидимые узоры внутри светового пучка становятся новыми магистралями для передачи данных и мощными инструментами для датчиков и вычислений. Вместо того чтобы использовать только яркость или цвет, инженеры могут кодировать информацию в форме и поляризации самого света. В этой работе представлен крошечный программируемый кремниевый чип, который по требованию формирует эти сложные световые шаблоны, что может изменить подход к обработке информации в будущих сетях связи, микроскопах и квантовых устройствах.

Почему важно формирование света

Световые пучки бывают разными: их энергия может распределяться в различных пространственных шаблонах, называемых модами. Некоторые выглядят как простые пятна, другие — как кольца с тёмным центром («пончики») или как структуры с несколькими яркими лепестками. Эти пространственные моды могут служить дополнительными дорожными полосами в оптическом волокне, позволяя множеству каналов передавать данные одновременно без взаимных помех. Они также являются важными инструментами в высокоточной сенсорике и в экспериментах, где отдельные фотоны несут квантовую информацию. Проблема в том, что современные средства для генерации и переключения между этими модами часто громоздки, хрупки и ограничены фиксированными шаблонами.

Перенос сложного света на чип

Авторы решают эту задачу, переместив генерацию пространственных мод на компактный кремниевый фотонный чип — по сути, похожий на электронный, но управляющий светом вместо электронов. Их схема объединяет два основных блока. Во‑первых, программируемая линейная оптическая схема разделяет входящий пучок на несколько путей и точно настраивает их относительную мощность и фазу — то есть как волны света выстраиваются во времени. Во‑вторых, генератор орбитального углового момента превращает эти аккуратно согласованные пути в завихрённые, кольцеобразные пучки с помощью массива крошечных антенн. Рассматривая такие завихрённые пучки как гибкий «базис», чип может затем смешивать и рекомбинировать их для получения множества различных выходных мод.

От завитков к полосам и дальше

Ключевая идея — использовать моды с орбитальным угловым моментом (OAM) — пучки света, волновые поверхности которых закручены как пробка — в качестве универсальных строительных блоков. На чипе производятся различные OAM‑моды с левосторонней или правосторонней круговой поляризацией, которые затем комбинируют контролируемым образом. Выбирая правильную смесь и синхронизацию между четырьмя такими входными модами одного порядка, устройство может воссоздать более привычные линейно поляризованные (LP) моды, которые выглядят как полосы или лепестки, или более экзотические цилиндрические векторные (CV) моды, где направление поляризации меняется по поперечному сечению пучка. Моделирование показывает, что такая стратегия, в принципе, позволяет генерировать большое семейство мод, причём число доступных шаблонов растёт линейно по мере добавления OAM‑мод более высоких порядков.

Что показали эксперименты

Используя демонстрационный чип, команда экспериментально сгенерировала десять различных OAM‑мод и восемь LP‑мод. Они проверили закрученность каждой OAM‑волны, интерферируя её с простым опорным пучком и наблюдая спиральные интерференционные полосы, а также подтвердили ожидаемые много‑лепестковые узоры и направления поляризации для LP‑мод. Поскольку реальные устройства никогда не идеальны, авторы тщательно откалибровали встроенные фазовые сдвигатели и аттенюаторы, чтобы снизить «перехлёст», когда одна мода просачивается в другую. После настройки худшие нежелательные утечки для ключевой моды были снижены приблизительно до одной десятой мощности сигнала, и была количественно оценена общая «чистота» сгенерированных мод. Они также проанализировали, как несовершенства антенн и волноводов ограничивают производительность, и предложили простые изменения дизайна — например, более плотную упаковку антенн и дополнительные элементы управления — которые могли бы улучшить качество мод и обеспечить высококачественные CV‑пучки.

К гибким системам на основе света

Проще говоря, эта работа демонстрирует, что один программируемый чип может выступать в роли универсального ваятеля световых шаблонов, переключаясь между разными семействами мод без перепроектирования аппаратуры. Хотя текущее устройство демонстрирует лишь часть теоретически возможного, его архитектура хорошо масштабируется и может поддерживать моды гораздо более высоких порядков при умеренных доработках. Такие перенастраиваемые генераторы и приёмники пространственных мод могут стать важными элементами будущих оптических сетей, которые динамически адаптируются к изменяющемуся трафику, а также платформами для квантовой обработки информации, передовой визуализации и встроенных систем машинного обучения, вычисляющих непосредственно со структурированным светом.

Цитирование: 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

Ключевые слова: структурированный свет, кремниевая фотоника, пространственные моды, орбитальный угловой момент, мультиплексирование мод