Licht aufspalten – auf einem Chip

Teilweise kohärentes Licht wird oft als störend betrachtet. Es könnte jedoch künftige Mikroskope sowie Anwendungen von der Astrophysik bis zur Satellitenkommunikation unterstützen. Wissenschafter:innen der Stanford University und des Institute of Science and Technology Austria (ISTA) haben einen Chip entwickelt, der teilweise kohärentes Licht automatisch in seine einzelnen Strahlenbündel aufteilt – und es so gewissermaßen „recycelt“. Die Ergebnisse wurden in Nature Photonics veröffentlicht.

Die Erfindung des Lasers ermöglichte zahlreiche technologische Fortschritte, darunter in der Datenverarbeitung und der optischen Kommunikation. Diese Technologien nutzen Laserlicht mit einer bestimmten Farbe und mit Wellen, die im Gleichklang schwingen – eine Eigenschaft, die als Kohärenz bezeichnet wird. Inkohärentes Licht besteht dagegen aus einer Mischung von Wellen ohne einheitliche Phasenbeziehung.

„Im Gegensatz zu Laserlicht ist Licht aus den meisten Quellen nur teilweise kohärent“, sagt Charles Roques-Carmes, Assistenzprofessor am Institute of Science and Technology Austria (ISTA). „Obwohl teilweise kohärentes Licht weit verbreitet ist, wurde es in technischen Anwendungen oft als Nachteil betrachtet. Künftige Fortschritte in der optischen Informationsverarbeitung und Mikroskopie werden jedoch wahrscheinlich Werkzeuge erfordern, mit denen sich partielle Kohärenz messen und verarbeiten lässt – und vielleicht auch als Ressource nutzen.“

In einer neuen, in Nature Photonics veröffentlichten Studie haben Roques-Carmes und Kolleg:innen der Stanford University ein automatisches System auf einem Chip entwickelt, das teilweise kohärentes Licht in seine einzelnen Moden aufteilt. Die Forschungsarbeit wurde hauptsächlich an der Stanford University durchgeführt. Dort begann Roques-Carmes das Projekt gemeinsam mit seinem Studenten Paul-Alexis Mor, der inzwischen einer der beiden Erstautor:innen der Studie ist. Als Roques-Carmes später seine Forschungsgruppe am ISTA gründete, kam Mor mit und setzte die Arbeit dort fort.

Die Ergebnisse könnten den Weg für neue Mikroskopietechniken ebnen. Die Chip-Technologie könnte zudem in vielen Bereichen zum Einsatz kommen – von der Datenverarbeitung bis zur Satellitenkommunikation.

Ein Glücksspiel?

Die Kohärenz zwischen zwei Strahlenbündeln lässt sich mithilfe statistischer Zusammenhänge veranschaulichen. „Eine Möglichkeit, das Verhalten von kohärentem und inkohärentem Licht zu untersuchen, ist die Analyse statistischer Korrelationen – ähnlich wie beim Würfeln mit zwei Würfeln“, sagt Mor. Beeinflusst das Ergebnis des einen Würfels das des anderen, sind die Ergebnisse korreliert. In dieser Analogie steht korreliertes Licht für kohärentes Licht, während unkorreliertes Licht inkohärentem Licht entspricht. Teilweise kohärentes Licht weist einen gewissen Grad an statistischer Korrelation zwischen diesen beiden Extremen auf.

Mor, Roques-Carmes und ihre Kolleg:innen wollten ein System auf einem Chip entwickeln, das diese Korrelationen präzise messen kann. Dabei konzentrierten sie sich besonders auf die räumliche Kohärenz. Diese beschreibt, wie konsistent die Phase des Lichts an verschiedenen Punkten eines Lichtbündels zusammenhängt. Der Ansatz könnte in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik Anwendung finden. „Bei der Entwicklung unserer Technologie hat uns die Chip-Industrie einen wichtigen Schub gegeben“, sagt Roques-Carmes.

Wenn die Industrie der Anwendung voraus ist

Da teilweise kohärentes Licht meist als nachteilig galt, ist seine Nutzung als Ressource für Berechnungen bislang wenig erforscht.

Die vorhandenen Möglichkeiten der Chip-Fertigung machten das neue photonische System des Teams erst möglich. In Chips kommen verschiedene Technologien zusammen, darunter das Design, die Fertigung und die Verpackung integrierter Schaltkreise – also mikroskopisch kleine Anordnungen elektronischer und photonischer Komponenten, die in Halbleitermaterialien wie Silizium eingebettet sind. Die Fertigung von Siliziumchips ist zudem bereits gut etabliert.

„Es ist selten, dass die Hardwareindustrie bereit ist, bevor es die Anwendung ist“, sagt Roques-Carmes. „Dank der Fortschritte in der photonischen Chip-Industrie können wir heute Hunderte optische Komponenten auf einem einzigen Chip integrieren, der nur wenige Quadratmillimeter groß ist. Mit herkömmlicher Optik wären für dieselbe Funktionalität Hunderte Spiegel und weitere Komponenten nötig, die über einen optischen Tisch verteilt wären. Ein solches System wäre außerordentlich schwierig auszurichten und zu stabilisieren – sofern es überhaupt realisierbar wäre.“

Licht recyceln

Das Team entwarf und fertigte einen rekonfigurierbaren photonischen Chip, entwickelte die Elektronik und montierte den Chip auf einer Leiterplatte. Ergänzt wurde der Ansatz durch optische Experimente und autonome Steuerungsalgorithmen.

Die zweilagige, selbstkonfigurierende Netzwerk-Architektur des Chips enthält Mach-Zehnder-Interferometer. Diese verwenden passive Strahlteiler, um das Licht in zwei separate physische Pfade aufzuteilen, und spielen damit eine zentrale Rolle in der Technologie.

Treffen sich überlappende ultraviolette Strahlenbündel aus zwei unabhängigen Lasern am Eingang des Chips, entsteht teilweise kohärentes Licht. Der Chip verarbeitet dieses Licht und trennt es in einzelne Lichtbündel auf. „Der Chip kann die Kohärenz-Eigenschaften des eingehenden Lichts ‚sehen‘ und automatisch feststellen, dass sich am Eingang mehrere Strahlenbündel befinden“, sagt Roques-Carmes.

Mor ergänzt: „Während sich das Licht durch den photonischen Schaltkreis bewegt, trennt der Chip es in Echtzeit in seine Bestandteile auf und ‚recycelt‘ es so gewissermaßen in physisch getrennte Ausgänge.“

Die Experimente können sogar in einem normal beleuchteten Raum durchgeführt werden.

Jedes Photon zählt

Die Chip-Technologie der Forschenden könnte vielfältige Anwendungen finden. Eine davon ist die Satellitenkommunikation, bei der Lasersignale die Erdatmosphäre durchqueren.

Laserlicht ist an seiner Quelle zwar kohärent, doch atmosphärische Turbulenzen können seine Kohärenz verringern, bevor es die Detektoren eines Satelliten erreicht. Die Technologie des Teams könnte es daher ermöglichen, dass Satelliten-Detektoren diese teilweise kohärenten Signale analysieren.

Nachdem Roques-Carmes im Juni seine Gruppe am ISTA gegründet hatte, übernahm Mor die Leitung der Weiterentwicklung der Technologie in seiner Gruppe. Das Team untersucht nun mögliche Anwendungen des neuen photonischen Chips in der Mikroskopie und Bildgebung. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf der schnellen Verarbeitung schwacher optischer Signale.

„Wir lassen gerade eine neue Chip-Generation fertigen, die am ISTA eingerichtet und betrieben werden soll. Wir wollen unsere Chips so effizient wie möglich machen, damit jedes Photon zählt“, sagt Roques-Carmes. „Stellen Sie sich vor, Sie betrachten ein sehr weit entferntes Objekt im Weltraum. Das Licht solcher Objekte ist meist extrem schwach. Unsere Chips sollen es Astronom:innen ermöglichen, bereits mit wenigen detektierten Photonen Erkenntnisse zu gewinnen – etwa den Durchmesser eines Sterns zu messen oder Exoplaneten auf einer Umlaufbahn darum nachzuweisen.“

Mor ergänzt: „Wir arbeiten an größeren und schnelleren Chips mit zusätzlichen Moden. Außerdem wollen wir neue Anwendungen entwickeln, etwa ein Mikroskop in enger Zusammenarbeit mit Biolog:innen am ISTA.“

Parallel zu seiner Arbeit in der Gruppe von Roques-Carmes am ISTA absolviert Mor ein Ingenieurstudium am Corps des Mines in Frankreich, einer renommierten französischen Institution des öffentlichen Dienstes. Mor und Roques-Carmes verbindet außerdem, dass beide an der École Polytechnique in Frankreich studiert haben – im Abstand von zehn Jahren.

„Paul hat dieses Projekt wirklich auf seinen Schultern getragen und leitet diese Forschungsrichtung nun als Gastforscher in meiner Gruppe“, fasst Roques-Carmes zusammen.

Link zur Aussendung von Stanford University: https://news.stanford.edu/stories/2026/11/chip-mixed-light-beams-microscopy

Publikation:

Paul-Alexis Mor, Anne R. Kroo, Carson G. Valdez, Marko Šimić, Aviv Karnieli, Gabriele Cavicchioli, Zhanghao Sun, Vittorio Grimaldi, Shanhui Fan, Olav Solgaard, David A. B. Miller, and Charles Roques-Carmes. 2026. Automatic on-chip separation of partially coherent light into its mutually incoherent components. Nature Photonics. DOI: 10.1038/s41566-026-02035-6

Projektförderung:

Das Projekt wurde gefördert durch das österreichische Bundesministerium für Arbeit und Wirtschaft, den Österreichischen Wissenschaftsfonds für Forschung, Technologie und Entwicklung, die Christian Doppler Forschungsgesellschaft, die Universität Graz, das Air Force Office of Scientific Research (FA955021-1-0312, FA9550-23-1-0307), ein Stanford Science Fellowship sowie durch Start-up-Mittel des Institute of Science and Technology Austria (ISTA).