Forschende am Leibniz-IPHT entwickeln die erste ­reprogrammierbare Faser und vollziehen damit einen großen Schritt auf dem Weg zu lernfähigen photonischen Systemen

Licht breitet sich in Glasfasern gewöhnlich nach festen Gesetzen aus: Einmal gefertigt, sind ihre Eigenschaften kaum veränderbar. Forschende am Leibniz-IPHT zeigen nun, dass sich diese Grenzen überwinden lassen. Sie haben eine Faser entwickelt, deren Verhalten sich in Echtzeit steuern, rekonfigurieren und gezielt optimieren lässt. Damit entsteht erstmals eine Plattform für programmierbare Kontrolle nichtlinearer optischer Prozesse.

Das Team um Prof. Markus Schmidt, Leiter der Abteilung Faserphotonik, kombinierte eine flüssigkeitsgefüllte Hohlkernfaser mit einem selbstlernenden Steueralgorithmus. In der Faser befindet sich eine Flüssigkeit, deren Brechungsindex sich über Temperatur fein einstellen lässt. Entlang der Faser steuern 24 mikroskopische Heizelemente die lokale Temperatur – und damit, wie sich das Licht in der Faser ausbreitet.

Ein Algorithmus überwacht das entstehende Lichtspektrum und passt die Heizprofile fortlaufend an, bis das Ausgangslicht die gewünschten Eigenschaften hat. So entsteht ein geschlossener Regelkreis zwischen Licht, Materie und Rechenprozess: Das System optimiert sich selbst, während es arbeitet.

„Wir wollten zeigen, dass sich nichtlineare optische Prozesse aktiv gestalten lassen, nicht nur durch das Faserdesign, sondern während des Betriebs“, erklärt Markus Schmidt. „Damit verfügen wir über ein Werkzeug, das Lichtdynamiken algorithmisch steuern kann. Das könnte eine Grundlage bilden für künftig adaptive, lernfähige photonische Systeme.“

Ein Algorithmus, der das Spektrum lernt

Prof. Markus Schmidt entwickelte das Konzept gemeinsam mit Erstautor Johannes Hofmann, Dr. Ramona Scheibinger, Dr. Bennet Fischer und Prof. Mario Chemnitz vom Leibniz-IPHT. Die Forschenden nutzten ein Verfahren aus der künstlichen Intelligenz, die sogenannte Particle Swarm Optimization. Wie ein digitaler Schwarm bewertet der Algorithmus unzählige Temperaturkonfigurationen gleichzeitig und sucht selbständig nach der besten Lösung.

Anpassung in Echtzeit

Das Ergebnis: Ein präzise kontrolliertes Weißlichtspektrum, das sich gezielt formen und stabil halten lässt. Je nach Zielvorgabe kann die Faser bestimmte Wellenlängen verstärken oder unterdrücken; eine Möglichkeit das System in Realzeit anzupassen, die bisher nur schwierig möglich war.

„Die Faser reagiert dynamisch auf ihre eigenen Lichtzustände“, sagt Johannes Hofmann. „Wir haben ein System geschaffen, das seine Dispersion und damit sein Verhalten aktiv anpasst und so ein gewünschtes Spektrum selbst findet.“

Eine neue Generation ­photonischer Systeme

Die Forschenden zeigen, dass sich nichtlineare Wechselwirkungen im Licht erstmals reversibel und ortsaufgelöst steuern lassen. Damit entsteht eine Plattform für Anwendungen, die bislang auf starre Systeme beschränkt waren, etwa in der adaptiven Frequenzkonversion, bei tunable Soliton-Dynamiken, in der spektralen Filterung oder in der nichtlinearen optischen Informationsverarbeitung.

„Diese Arbeit markiert einen echten Paradigmenwechsel,“ betont Schmidt. „Wir kombinieren Fasertechnologie, nichtlineare Photonik und algorithmische Optimierung zu einer neuen Klasse reprogrammierbarer Photonik. Sie eröffnet die Möglichkeit, nichtlineare Prozesse dynamisch und zielgerichtet zu gestalten – das ist ein entscheidender Schritt hin zu programmierbarer Lichtkontrolle in komplexen ­photonischen Systemen.“

Perspektiven für ­Anwendungen

Programmierbare Flüssigkernfasern könnten künftig als adaptive Lichtquellen in der Superkontinuum-Erzeugung, in nichtlinearer Spektroskopie, der Quanten- und Kommunikationsoptik oder im Bereich optischer Rechnerarchitekturen eingesetzt werden. Durch die algorithmische Steuerung lassen sich Prozesse automatisiert an wechselnde Bedingungen anpassen und könnten so eine Grundlage für intelligente, selbstregelnde photonische Systeme bilden.

Original-Publikation: https://doi.org/10.1038/s41467-025-63213-8