Für die effiziente und robuste Speicherung und Übertragung von Informationen werden heutzutage verschiedenste Freiheitsgrade von Licht genutzt. Die Analyse der dabei verwendeten komplexen Lichtfelder, vor allem in Form einer Zerlegung in Grundbausteine, also z.B. räumliche Lichtmoden, ist dabei eine zentrale Aufgabe in verschiedensten Anwendungen. In der Regel werden hierfür etablierte Methoden der Polarimetrie, Phasenfront- und Intensitätsmessung angewendet. Die Gruppe OpNaQ beschreitet hier seit einiger Zeit auch neue Wege: sie entwickelt und verwendet kompakte, vielseitige und sehr präzise Lösungen basierend auf photonischen integrierten Schaltungen.
Die in der Gruppe in Kollaboration mit internationalen Teams entwickelte phonische Plattform [2] konnte bereits zuvor durch ihre vielseitige Einsetzbarkeit, z.B. zur Erzeugung [3] und Detektion [4] von Licht auf sich aufmerksam machen. Physiker der Gruppe OpNaQ an der Universität Graz nutzten diesen integrierten photonischen Prozessor nun erstmals für die Zerlegung von komplexen Lichtfeldern [5].
In dem in Nature Communications erschienenen Artikel [5] präsentiert das Forschungsteam nun äußerst spannende Ergebnisse, die im Rahmen des Christian-Doppler-Labors für Sensorik basierend auf strukturierter Materie [1] erarbeitet wurden. Kern der Arbeit stellt besagtes, photonisch-integriertes System dar, welches zur Zerlegung von strukturiertem Licht in seine Bestandteile und der genauen Analyse verwendet wird. Damit wird eine sehr genaue Untersuchung hochkomplexer Felder möglich, welche in Zukunft eine entscheidende Rolle bei der Kommunikation mit solchen Lichtfeldern spielen könnte. Die Autoren demonstrieren, dass bereits mit nur 16 Pixeln des photonischen Chips eine experimentelle Zerlegung in bis zu 9 zusammengesetzte Moden möglich ist.
Insbesondere der Vergleich mit bestehenden Methoden, wie der Verwendung von Shack-Hartmann-Sensoren oder die Implementierung von Spatial-Light-Modulatoren für eine Aufspaltung des Lichtfeldes zeigen die Vorteile der Nutzung von integrierten photonischen Prozessoren für diese Anwendungen. Die Implementierung auf weit verbreiteten Silizium-Plattformen ermöglicht zudem eine einfache Fertigung, wobei aktuelle Forschung auch das Thema Skalierbarkeit zum Fokus hat.
Kontakt:
Dorian Brandmüller und Peter Banzer; Optics of Nano and Quantum Materials (website)
[1] Christian Doppler Laboratoy for Structured Matter Based Sensing; https://structured-matter.com/
[2] https://cordis.europa.eu/project/id/829116
[3] Bütow, J. et al., Generating free-space structured light with programmable integrated photonics. Nature Photonics 18, 243–249 (2024).
[4] Bütow, J. et al., Spatially resolving amplitude and phase of light with a reconfigurable photonic integrated circuit. Optica 9, 939–946 (2022).
[5] Sharma, V. et al., Universal photonic processor for spatial mode decomposition. Nat Commun 16, 7982 (2025).