Nieuwe lichtchip van Stanford scheidt gemengd licht in losse signalen

Licht is lastiger dan het lijkt. Een laserstraal bestaat uit golven die netjes in de pas lopen, maar het meeste licht om ons heen is dat niet. Zonlicht, lamplicht en zelfs licht van sterren bestaat uit talloze golven die elkaar deels overlappen en elkaar deels tegenwerken. Camera's, microscopen en telescopen registreren daarvan alleen de optelsom: één vage lichtvlek, terwijl er eigenlijk meerdere signalen in verstopt zitten. Onderzoekers van Stanford University hebben nu een oplossing gebouwd die dat mengsel letterlijk uit elkaar trekt.

Een chip ter grootte van een nagel

Het apparaat is een fotonische chip, ongeveer zo groot als een vingernagel, gemaakt met dezelfde siliciumtechnologie als computerchips. In plaats van elektrische stroompjes stuurt deze chip echter lichtdeeltjes door een netwerk van zogeheten interferometers: minuscule kanaaltjes die lichtgolven kunnen combineren, splitsen en ombuigen. Het team, onder leiding van hoogleraar elektrotechniek Shanhui Fan, voegde twee onafhankelijke infraroodlasers samen tot één vermengde lichtbron. Vervolgens liet de chip een zelflerend algoritme los op dat mengsel. Dat algoritme herkent de onderliggende patronen, de zogenoemde coherentiemodi, en stuurt elk patroon naar een eigen uitgang op de chip. Belangrijk is dat de chip niet simpelweg de twee oorspronkelijke lasers terugvindt, maar wiskundig de meest zuivere, volledig onafhankelijke lichtpatronen berekent, ook als de bundels elkaar in de ruimte overlappen.

Meetbaar succes en toepassingen

In de test met negen lichtingangen scheidde de chip de twee sterkste lichtpatronen met een nauwkeurigheid van meer dan 98 procent, vergeleken met een bestaande referentiemethode. In een vervolgexperiment lieten de onderzoekers zien dat het systeem ook met drie afzonderlijke patronen overweg kan. Dat is relevant, want tot nu toe bestond dit idee vooral op papier: natuurkundigen stelden het concept decennia geleden al voorzichtig voor, maar niemand had het praktisch laten werken. Voor de praktijk betekent dit bijvoorbeeld dat twee fluorescerende deeltjes die in een microscoop als één vlek samenvloeien, straks mogelijk uit elkaar te houden zijn, omdat hun licht net iets andere eigenschappen heeft. Ook in de sterrenkunde liggen kansen: een heldere stip in een telescoopbeeld kan in werkelijkheid licht van meerdere sterren tegelijk zijn. Het Stanford-team werkt inmiddels samen met de Amerikaanse ruimtevaartorganisatie NASA om te onderzoeken of de chip kan helpen bij het analyseren van licht uit verre sterrenstelsels.

Nog niet klaar voor gebruik

De chip kan het proces ook omdraaien: in plaats van licht te ontrafelen, kan hij gericht licht met een gewenste mengvorm aanmaken. Dat opent mogelijkheden voor optische sensoren, dataoverdracht via licht en lichtgebaseerde rekenchips. Voorlopig werkt het systeem nog met een beperkt aantal lichtpatronen en relatief traag. Om de techniek in echte camera's, microscopen of telescopen te gebruiken, moet de chip groter en sneller worden. De onderzoekers noemen hun werk vooral een bewijs dat het principe werkt: een programmeerbare manier om gemengd licht te meten, te scheiden en te besturen.