Calibrazione efficiente della lunghezza d'onda

2 febbraio 2023

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dall'Accademia Cinese delle Scienze

I ricercatori del Wellman Center for Photomedicine hanno dimostrato che i cambiamenti dipendenti dalla lunghezza d'onda nella distribuzione spaziale della luce trasmessa attraverso una fibra ottica multimodale non sono casuali ma altamente prevedibili.

Hanno sviluppato un modello di dispersione e metodi computazionali per la misurazione efficiente della trasmissione della luce attraverso la fibra attraverso uno spettro di lunghezze d'onda. Il controllo della trasmissione spaziale della luce con diverse lunghezze d'onda attraverso la fibra multimodale racchiude un potenziale significativo per applicazioni nel bioimaging e nelle telecomunicazioni.

La fibra multimodale (MMF) è costituita da un nucleo che guida la luce incorporato in un rivestimento con un diametro tipicamente di soli 125 µm, circa lo spessore di un capello umano. A differenza della fibra monomodale, che ha un nucleo sufficientemente piccolo da guidare solo una singola modalità spaziale, MMF ha da centinaia a migliaia di modalità spaziali che viaggiano con velocità distinte e spesso si accoppiano tra loro.

Di conseguenza, l’MMF trasmette la luce in modo efficiente, ma senza mantenere il suo schema spaziale. Un segnale in ingresso si accoppia a una combinazione di modalità che si mescolano e sperimentano ritardi di fase distinti, creando un output apparentemente casuale. Tuttavia, i campi elettromagnetici in ingresso e in uscita sono correlati in modo lineare e i coefficienti di accoppiamento tra tutte le modalità di ingresso e uscita coinvolte definiscono la matrice di trasmissione coerente della fibra. Da questo punto di vista, l'MMF può essere trattato come un elemento ottico insolito.

Una volta nota la matrice di trasmissione, tipicamente attraverso la calibrazione, il suo effetto può essere compensato computazionalmente o mediante un modulatore di luce spaziale. I progressi nel controllo della trasmissione della luce attraverso mezzi così complessi presentano un potenziale significativo per applicazioni future, tra cui l'imaging tramite MMF per l'uso di un endoscopio in miniatura in biomedicina e il multiplexing spaziale nelle telecomunicazioni.

Una delle sfide principali nel controllo della trasmissione della luce tramite MMF è la dipendenza dalla lunghezza d'onda della matrice di trasmissione della fibra. Un piccolo cambiamento nella lunghezza d'onda provoca, in generale, una distribuzione apparentemente indipendente del campo trasmesso. La trasmissione controllata a più lunghezze d'onda ha richiesto una noiosa calibrazione delle matrici di trasmissione a ciascuna lunghezza d'onda.

In un nuovo articolo pubblicato su Light: Science & Applications, i ricercatori del Wellman Center for Photomedicine di Boston dimostrano che, lungi dall’essere casuale, la dipendenza dalla lunghezza d’onda della matrice di trasmissione della fibra multimodale è altamente deterministica. Hanno sviluppato un modello di dispersione parametrico e metodi computazionali per una calibrazione efficiente della matrice di trasmissione multispettrale di una fibra, ovviando alla necessità di misurazioni spettrali dense.

È stato riconosciuto da tempo che è possibile trovare un insieme specifico di modelli di ingresso e corrispondenti modelli di uscita che sono relativamente insensibili a un cambiamento nella lunghezza d'onda. Un impulso di luce lanciato in uno di questi "modi principali" viene trasmesso attraverso la fibra senza dispersione temporale e arriva con un ritardo caratteristico del modo.

"Per ottenere il pieno controllo spaziale e spettrale, dobbiamo essere in grado di generare un'adeguata sovrapposizione di tutte le modalità principali tenendo conto degli sfasamenti tra le varie modalità e di come queste fasi cambiano con la lunghezza d'onda", spiega Szu-Yu Lee, autore principale dello studio e recente dottorato di ricerca. laureato al programma di Scienze e Tecnologie della Salute tra il MIT e Harvard.