Nanogedruckte Strukturen auf Multikernfasern machen Licht aus allen Richtungen nutzbar

Ein Laserstrahl trifft die polierte Spitze einer besonderen Glasfaser. Diese Faser hat sieben winzige Lichtkanäle und eine kaum sichtbare Nanostruktur auf ihrer Oberfläche. Licht aus verschiedenen Richtungen wird gezielt in unterschiedliche Kerne geleitet, wie von einem optischen Sortierer, der jeden Einfallswinkel erkennt.

Dieser Vorgang markiert einen neuen Ansatz in der Faseroptik: eine Faserspitze, die Licht nicht nur leitet, sondern je nach Einfallswinkel analysiert und verteilt. Das Team der Forschungsabteilung Faserphotonik am Leibniz-IPHT und das Kompetenzzentrum für Spezialfaseroptik (KSF) entwickelten eine Methode, um Licht auf der Faserspitze nach seinem Einfallswinkel zu trennen. Das Ergebnis: ein faserbasierter Winkel-Demultiplexer, der Licht aus nahezu jedem Winkel erfasst. Dieser Ansatz könnte Lichtsensoren und Kommunikationssysteme kompakter und energieeffizienter machen.

Ein neues Prinzip der ­Lichtlenkung

Das Konzept verbindet Multikernfaser und nanogedruckte Struktur: Auf die Stirnfläche einer Faser mit sieben einzeln ansteuerbaren Lichtkanälen druckten die Forschenden eine ringförmige Nanostruktur, die das einfallende Licht je nach Winkel in verschiedene Kerne lenkt. So wird die Faserspitze selbst zum Sensor, der erkennt, aus welcher Richtung das Licht kommt.

„Wir haben einen Weg gefunden, Licht gezielt in den richtigen Kern zu lenken“, erklärt Erstautor Dr. Oleh Yermakov. „Damit können wir die Richtung eines Lichtstrahls direkt auf der Faserspitze bestimmen, mit einer Effizienz, die bisher unerreicht war.“

Hochpräzise ­Spezialfaser

Die dafür benötigte Faser entstand im Kompetenzzentrum für Spezialfaseroptik. Das Team um Adrian Lorenz fertigte die Multikernfaser, die als präzise Plattform für die Nanostruktur dient. „Unsere Faser bildet die Basis, auf der das optische Design funktioniert“, sagt Ingenieur Adrian Lorenz. „Sie enthält mehrere Lichtkanäle, die so angeordnet sind, dass jeder gezielt angesteuert werden kann.“ So entsteht ein System, das Licht aus vielen Richtungen aufnehmen und nach Winkel sortieren kann: kompakt, robust und direkt in die Faser integriert.

Eine Antenne für Licht

Das Besondere an dieser Entwicklung: Das System funktioniert nicht nur als Winkel-Detektor, sondern auch als hocheffizienter Lichtkollektor. Es kann Licht über sehr große Einfallswinkel aufnehmen und gleichmäßig auf die Faserkerne verteilen – selbst bei Winkeln bis zu 80 Grad, also in einem Bereich, in dem herkömmliche Glasfasern kaum noch Licht einkoppeln.

Antenne für biophotonische Messungen

„Unsere Struktur arbeitet wie eine Antenne für Licht“, sagt Yermakov. „Sie kann Signale aus vielen Richtungen erfassen und gezielt weiterleiten. Das macht sie interessant für Anwendungen, bei denen Lichtquellen nicht stabil ausgerichtet sind, etwa in der Umweltüberwachung oder bei biophotonischen Messungen.“

Auch in der optischen Kommunikation eröffnet der Ansatz neue Möglichkeiten: Durch die Winkelabhängigkeit lassen sich Signale trennen, bündeln oder gezielt auswerten. Diese Funktion könnte in künftigen optischen Netzwerken oder Sensorkonzepten gefragt sein.

Neue Perspektiven für Sensorik und ­Kommunikation

Die Studie zeigt erstmals experimentell, dass eine faserintegrierte Struktur nicht nur die Intensität, sondern auch den Einfallswinkel eines Lichtstrahls erfassen und trennen kann. Die Effizienz übertrifft herkömmliche Systeme deutlich. Das eröffnet neue Perspektiven für photonische Sensorik, Kommunika­tionstechnik und Umweltanalytik.

„Langfristig könnten solche Strukturen dazu beitragen, Lichtsensoren oder Kommunikationssysteme kompakter und energieeffizienter zu machen“, sagt Prof. Dr. ­Markus Schmidt. „Sie zeigen, welches ­Potenzial in modernen Glasfasern steckt, weit über ihre klassische Rolle als ­Lichtleiter hinaus.“

Original-Publikation: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57440-2