Étalonnage efficace de la longueur d'onde

2 février 2023

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par l'Académie chinoise des sciences

Des chercheurs du Wellman Center for Photomedicine ont démontré que les changements dépendant de la longueur d'onde dans la distribution spatiale de la lumière transmise à travers une fibre optique multimode ne sont pas aléatoires mais hautement prévisibles.

Ils ont développé un modèle de dispersion et des méthodes de calcul pour une mesure efficace de la transmission de la lumière à travers la fibre sur un spectre de longueurs d'onde. Le contrôle de la transmission spatiale de la lumière avec différentes longueurs d'onde à travers la fibre multimode recèle un potentiel important pour les applications en bioimagerie et en télécommunications.

La fibre multimode (MMF) consiste en un noyau guide de lumière intégré dans une gaine d'un diamètre généralement de seulement 125 µm, soit environ l'épaisseur d'un cheveu humain. Contrairement à la fibre monomode, qui a un noyau suffisamment petit pour ne guider qu'un seul mode spatial, la MMF possède des centaines, voire des milliers de modes spatiaux qui se déplacent à des vitesses distinctes et se couplent fréquemment entre eux.

En conséquence, MMF transmet efficacement la lumière, mais sans maintenir son modèle spatial. Un signal d'entrée se couple à une combinaison de modes qui se mélangent et subissent des retards de phase distincts, créant une sortie apparemment aléatoire. Pourtant, les champs électromagnétiques d'entrée et de sortie sont liés de manière linéaire et les coefficients de couplage entre tous les modes d'entrée et de sortie impliqués définissent la matrice de transmission cohérente de la fibre. De ce point de vue, le MMF peut être traité comme un élément optique peu commun.

Une fois que la matrice de transmission est connue, généralement par étalonnage, son effet peut être compensé par calcul ou au moyen d'un modulateur spatial de lumière. Les progrès réalisés dans le contrôle de la transmission de la lumière à travers des supports aussi complexes recèlent un potentiel important pour les applications futures, notamment l'imagerie par MMF pour son utilisation d'un endoscope miniature en biomédecine et le multiplexage spatial dans les télécommunications.

L'un des principaux défis liés au contrôle de la transmission de la lumière via MMF est la dépendance à la longueur d'onde de la matrice de transmission de la fibre. Un changement infime de longueur d'onde provoque, en général, une distribution apparemment indépendante du champ transmis. La transmission contrôlée à plusieurs longueurs d'onde a nécessité un étalonnage fastidieux des matrices de transmission à chaque longueur d'onde.

Dans un nouvel article publié dans Light: Science & Applications, des chercheurs du Wellman Center for Photomedicine de Boston démontrent maintenant que, loin d'être aléatoire, la dépendance à la longueur d'onde de la matrice de transmission à fibre multimode est hautement déterministe. Ils ont développé un modèle de dispersion paramétrique et des méthodes de calcul pour un étalonnage efficace de la matrice de transmission multispectrale d'une fibre, évitant ainsi le besoin de mesures spectrales denses.

Il est reconnu depuis longtemps qu'il est possible de trouver un ensemble spécifique de modèles d'entrée et de modèles de sortie correspondants qui sont relativement insensibles à un changement de longueur d'onde. Une impulsion de lumière lancée dans l'un de ces "modes principaux" est transmise à travers la fibre sans diffusion temporelle et arrive avec un retard caractéristique de mode.

"Afin d'obtenir un contrôle spatial et spectral complet, nous devons être capables de générer une superposition appropriée de tous les modes principaux en tenant compte des décalages de phase entre les différents modes et de la façon dont ces phases changent avec la longueur d'onde", explique Szu-Yu Lee, auteur principal de l'étude et récent doctorat. diplômé du programme Health Sciences and Technology entre le MIT et Harvard.

Et bien que les modes principaux offrent la plus petite dépendance possible à la longueur d'onde, ils finissent par changer en réponse à une variation de longueur d'onde suffisante.

Les co-auteurs de Szu-Yu sont Vicente Parot, ancien chercheur postdoctoral au Wellman Center for Photomedicine et maintenant professeur adjoint à la Pontificia Universidad Católica de Chile, Brett E. Bouma, professeur au Wellman Center for Photomedicine, et Martin Villiger, assistant Professeur au Wellman Center for Photomedicine.

L'équipe a reconnu que le contrôle requis des retards de phase modaux dépendant de la longueur d'onde pouvait être décrit efficacement avec le concept algébrique d'une carte exponentielle. Le développement de la dispersion en divers ordres de dépendance à la longueur d'onde a en outre permis de tenir compte d'une dépendance à la longueur d'onde plus générale.

Cette formulation s'est inspirée de la façon dont la dispersion est modélisée dans les systèmes de dimension inférieure, y compris la propagation en espace libre à travers le verre ou la dispersion des modes de polarisation dans les fibres monomodes. Combiné avec des outils de calcul appropriés, Szu-Yu et ses collègues démontrent dans l'étude comment le modèle peut être adapté à des matrices de transmission expérimentales mesurées à seulement quelques longueurs d'onde discrètes. Fondamentalement, la paramétrisation permet l'interpolation et l'extrapolation sur une gamme continue de longueurs d'onde.

"La capacité à calibrer efficacement la matrice de transmission multispectrale de la fibre peut être décisive pour les efforts d'imagerie de mon équipe via une MMF flexible. Cet objectif futur nécessitera de surmonter un autre défi majeur de contrôle de la transmission de la lumière via MMF : le défi de la déformation de la fibre et la façon dont elle change la matrice de transmission », explique l'auteur principal Martin Villiger.

Plus d'information: Szu-Yu Lee et al, Modélisation efficace de la dispersion dans la fibre optique multimode, Light: Science & Applications (2023). DOI : 10.1038/s41377-022-01061-7

Informations sur la revue :Lumière : science et applications

Fourni par l'Académie chinoise des sciences