Diagonalizing an optical coherence matrix via on-chip Stokes tomography

Licht wird normalerweise als ein Strom von Teilchen oder Wellen betrachtet, die sich durch den Raum bewegen, aber im Bereich der modernen Optik sind Wissenschaftler zunehmend daran interessiert, wie verschiedene „Modi“ des Lichts – distinkte Energiemuster – miteinander in Beziehung stehen. Wenn diese Modi perfekt synchronisiert sind, ist das Licht kohärent, wie etwa ein Laserstrahl. Wenn sie völlig zufällig sind, ist das Licht inkohärent, wie das Leuchten einer Glühbirne. Die meisten realen Lichtformen existieren jedoch in einem Mittelzustand, der als partielle Kohärenz bekannt ist, bei dem einige Modi miteinander verknüpft sind, andere hingegen nicht. Dieser Zustand, die sogenannte strukturierte Kohärenz, entwickelt sich zu einem wichtigen Werkzeug für neue Technologien in der Kommunikation, im Computing und in der Sicherheit. Die Herausforderung besteht darin, dieses komplexe Licht zu verstehen und zu manipulieren. Um dies zu erreichen, müssen Forscher zunächst die Beziehungen zwischen den Modi kartieren – eine Aufgabe, die der Erstellung einer detaillierten Karte einer verborgenen Landschaft gleicht – und das Licht dann so umgestalten, dass diese Beziehungen einfach und klar werden.

Ein Forschungsteam der University of Central Florida hat eine neue Methode entwickelt, um diese Kartierung und Umgestaltung direkt auf einem mikroskopischen Computerchip durchzuführen. Sie konzentrierten sich auf ein spezifisches mathematisches Objekt, die Kohärenzmatrix, die als Blaupause fungiert und beschreibt, wie die verschiedenen Modi des Lichts miteinander verbunden sind. Während Wissenschaftler zuvor bereits Wege gefunden hatten, diese Blaupause mithilfe einer Technik namens Stokes-Tomographie zu lesen, war es ihnen bisher nicht gelungen, dasselbe Verfahren zu nutzen, um das Licht physisch auf dem Chip zu reorganisieren. Die Forscher demonstrierten, dass sie diesen Messprozess nicht nur zum Verständnis des Lichts, sondern auch zur aktiven Transformation desselben nutzen konnten. Indem sie das Licht durch ein Gitter winziger optischer Schalter leiteten, konnten sie zuerst die komplexen Verbindungen zwischen den Modi messen und den Chip anschließend unmittelbar so rekonfigurieren, dass diese Verbindungen entwirrt wurden. Das Ergebnis ist ein Lichtstrahl, bei dem die Modi völlig unabhängig voneinander sind – ein Zustand, der für fortgeschrittene Anwendungen wesentlich einfacher zu handhaben ist.

Das Experiment fand auf einem photonischen integrierten Schaltkreis statt, einem Siliziumchip, der ein Netzwerk aus 72 winzigen Interferometern enthält. Dies sind Vorrichtungen, die Lichtwellen aufspalten und wieder kombinieren, um deren Verhalten zu steuern. Die Forscher begannen damit, einen Strahl von Licht zu erzeugen, der teilweise kohärent war, was bedeutete, dass seine verschiedenen Teile gewissermaßen verknüpft, aber nicht perfekt waren. Sie speisten dieses Licht in den Chip ein, der als programmierbarer Prozessor fungierte. Die erste Phase ihrer Arbeit umfasste eine Reihe von Messungen. Der Chip wurde auf eine bestimmte Konfiguration eingestellt, während das Licht hindurchgeleitet wurde. Die Forscher maßen die Intensität des Lichts am Ausgang, änderten dann die Einstellungen des Chips und maßen erneut. Sie wiederholten diesen Prozess mehrmals, jedes Mal mit einer leicht anderen Anordnung der internen Schalter. Durch das Sammeln dieser Intensitätsmesswerte konnten sie die vollständige Blaupause der Kohärenz des Lichts mathematisch rekonstruieren und so genau aufdecken, wie die Modi miteinander interagierten.

Sobald die Blaupause rekonstruiert war, nutzten die Forscher diese Information, um eine neue Einstellung für den Chip zu berechnen. Diese finale Einstellung war darauf ausgelegt, eine spezifische Transformation durchzuführen: Sie sollte das komplexe, verhedderte Licht nehmen und in eine „kohärenzmodale Repräsentation“ umwandeln. In diesem neuen Zustand besteht das Licht zwar immer noch aus denselben Modi, aber diese sind nun völlig unkorreliert. Stellen Sie sich eine Gruppe von Menschen vor, die sich in einem überfüllten Raum gegenseitig unterschiedliche Dinge zuflüstern; die Methode der Forscher unterdrückt effektiv das „Cross-Talk“-Geflüster, sodass jeder Mensch nur zu sich selbst spricht, ohne dass jemand anderes zuhört. Der Chip wandte diese Transformation dann an, und das Ergebnis war ein Strahl, bei dem die Modi perfekt orthogonal waren, was bedeutet, dass sie unabhängig voneinander waren und keine Informationen über einander trugen.

Um zu beweisen, dass dieser Prozess funktionierte, testete das Team das Licht vor und nach der Transformation. Vor der Änderung, als sie die Modi kombinierten, beobachteten sie deutliche Interferenzmuster – ein Zeichen dafür, dass die Modi miteinander verknüpft waren. Nach der Transformation verschwanden diese Muster, was bestätigte, dass die Modi nun tatsächlich unabhängig waren. Sie maßen auch die Stärke jedes Modus im finalen Strahl und fanden heraus, dass diese Stärken den theoretischen Vorhersagen für die ursprüngliche Blaupause des Lichts entsprachen. Die Forscher testeten diese Methode an Licht mit zwei Modi sowie an Licht mit vier Modi, wobei sie unterschiedliche Ebenen an Komplexität und Zufälligkeit abdeckten. In jedem Fall rekonstruierte der Chip erfolgreich die Eigenschaften des Lichts und diagonalisierte es anschließend, sodass die Modi unkorreliert blieben.

Ein wesentlicher Teil dieser Entdeckung stellt eine lange Zeit geltende Annahme auf dem Gebiet infrage. Es wurde allgemein angenommen, dass die Anzahl der erforderlichen Messschritte, um die Kohärenz von Licht mit vielen Modi vollständig abzubilden, sehr schnell ansteigen würde, was den Prozess für komplexe Systeme langsam und ineffizient machen würde. Die Forscher zeigten jedoch, dass dies nicht der Fall ist. Indem sie alle notwendigen Informationen an jedem Schritt sorgfältig aufzeichneten, demonstrierten sie, dass die Anzahl der benötigten Schritte viel langsamer wächst, was den Prozess für die reale Anwendung weitaus praktischer macht. Diese Effizienz, kombiniert mit der Fähigkeit, den gesamten Prozess auf einem einzigen Chip durchzuführen, deutet auf eine leistungsstarke neue Möglichkeit hin, strukturiertes Licht zu handhaben. Die Arbeit bestätigt, dass die Stokes-Tomographie nicht nur ein Werkzeug zur Beobachtung, sondern ein vielseitiges Instrument zur aktiven Steuerung ist, was die Tür zu anspruchsvolleren optischen Systemen öffnet, die Informationen unter Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von teilweise kohärentem Licht verarbeiten können.