効率的な波長校正

2023 年 2 月 2 日

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ウェルマン光医学センターの研究者は、マルチモード光ファイバーを通って伝送される光の空間分布における波長依存の変化はランダムではなく、高度に予測可能であることを実証しました。

彼らは、さまざまな波長スペクトルにわたってファイバーを通る光の透過を効率的に測定するための分散モデルと計算手法を開発しました。 マルチモードファイバーを介した異なる波長の光の空間伝送を制御することは、バイオイメージングや電気通信への応用に大きな可能性を秘めています。

マルチモード ファイバー (MMF) は、クラッドに埋め込まれた光ガイド コアで構成されており、その直径は通常わずか 125 μm (人間の髪の毛の太さ程度) です。 単一の空間モードのみを導波できるほど小さいコアを備えたシングルモード ファイバーとは異なり、MMF には、異なる速度で伝播し、頻繁に互いに結合する数百から数千の空間モードがあります。

その結果、MMF は空間パターンを維持せずに光を効率的に透過します。 入力信号は、混合して明確な位相遅延を経験するモードの組み合わせに結合し、一見ランダムな出力を生成します。 それでも、入力電磁場と出力電磁場は線形に関係しており、関係するすべての入力モードと出力モードの間の結合係数がファイバーのコヒーレント伝送行列を定義します。 この観点では、MMF は珍しい光学要素として扱うことができます。

透過行列が既知になると、通常はキャリブレーションを通じて、その影響を計算または空間光変調器によって補正できます。 このような複雑な媒体を介した光透過の制御の進歩は、生物医学における小型内視鏡の使用のためのMMFによるイメージングや電気通信における空間多重化など、将来の応用への大きな可能性を秘めています。

MMF を介した光伝送の制御に関する一般的な課題の 1 つは、ファイバーの伝送マトリックスの波長依存性です。 波長の微小な変化は、一般に、透過フィールドの一見独立した分布を引き起こします。 複数の波長で伝送を制御するには、各波長での伝送マトリックスの面倒な校正が必要でした。

Light: Science & Applications に掲載された新しい論文の中で、ボストンにあるウェルマン光医学センターの研究者らは、マルチモードファイバー伝送マトリックスの波長依存性がランダムとは程遠く、高度に決定論的であることを実証しました。 彼らは、ファイバのマルチスペクトル透過行列を効率的に校正するためのパラメトリック分散モデルと計算手法を開発し、高密度スペクトル測定の必要性を回避しました。

波長の変化に比較的鈍感な入力パターンの特定のセットと、それに対応する出力パターンを見つけることが可能であることは、長い間認識されてきました。 これらの「主モード」の 1 つに発射された光パルスは、一時的な散乱なしでファイバーを通過し、モード特有の遅延をもって到着します。

「完全な空間およびスペクトル制御を達成するには、さまざまなモード間の位相オフセットと、これらの位相が波長に応じてどのように変化するかを考慮して、すべての主モードの適切な重ね合わせを生成できる必要があります。」と Szu-Yu Lee 氏は説明します。研究の筆頭著者であり、最近博士号を取得した。 MIT とハーバード大学間の健康科学および技術プログラムを卒業。

また、主モードは可能な限り最小の波長依存性を提供しますが、最終的には十分な波長の変化に応じて変化します。

Szu-Yu の共著者は、元ウェルマン光医学センターの博士研究員で現在はポンティフィシア・カトリカ・デ・チリ大学助教授のビセンテ・パロット氏、ウェルマン光医学センター教授のブレット・E・ブーマ氏、助手のマーティン・ビリガー氏です。ウェルマン光医学センター教授。

研究チームは、波長に依存するモード位相遅延の必要な制御は、指数関数マップの代数概念で効率的に記述できることを認識しました。 分散をさまざまな次数の波長依存性に発展させると、より一般的な波長依存性を説明できるようになりました。

この定式化は、ガラスを通る自由空間伝播やシングルモード ファイバーの偏波モード分散など、低次元システムで分散をモデル化する方法からインスピレーションを得ました。 Szu-Yu 氏らは、適切な計算ツールと組み合わせて、わずか数個の離散波長で測定された実験的な透過行列にモデルをどのように当てはめることができるかを研究で実証しました。 重要なのは、パラメータ化により、連続した波長範囲にわたって内挿および外挿が可能になることです。

「ファイバーのマルチスペクトル透過マトリックスを効率的に校正できることは、フレキシブル MMF を使用したイメージングの私のチームの取り組みにとって決定的なものになる可能性があります。この将来の目標には、MMF を使用した光透過の制御という一般的なもう 1 つの課題、つまりファイバーの変形とその変化の方法の課題を克服する必要があります。伝送マトリックスです」と主著者の Martin Villiger 氏は説明します。

詳しくは： Szu-Yu Lee 他、光マルチモード ファイバーにおける効率的な分散モデリング、Light: Science & Applications (2023)。 DOI: 10.1038/s41377-022-01061-7

雑誌情報:光: 科学と応用

中国科学院提供