[論文レビュー] How to build the optical inverse of a multimode fibre

Unė G. Būtaitė, Hlib Kupianskyi+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2022

Random lasers and scattering media参考文献 66被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、逆設計を用いて設計された受動的で効率的な回折型光学インバーターを提案する。このインバーターは、1回のスナップショットでマルチモード光ファイバー（MMF）内のすべての空間モードを同時に復号可能であり、広視野かつ超解像イメージングを実現する。インバーターは最適化された位相マスクの級進構造から構成され、MMFの伝送行列を逆転させる補完的散乱媒体として機能し、位相とコherー二ンスを保持する。また、解像度の損失が最小限であるにもかかわらず、電子的ニューラルネットワークを上回る性能を示す。

ABSTRACT

When light propagates through a multimode optical fibre (MMF), the spatial information it carries is scrambled. Wavefront shaping can undo this scrambling, typically one spatial mode at a time - enabling deployment of MMFs as ultra-thin micro-endoscopes. In this work we go beyond serial wavefront shaping by showing how to simultaneously unscramble all spatial modes emerging from an MMF in parallel. We introduce a passive multiple-scattering element - crafted through the process of inverse design - that is complementary to an MMF and undoes its optical effects. This optical inverter makes possible both single-shot wide-field imaging and super-resolution imaging through MMFs. Our design consists of a cascade of diffractive elements, and can be understood from the perspective of both multi-plane light conversion, and as a physically inspired deep diffractive neural network. This physical architecture can outperform state-of-the-art electronic neural networks tasked with unscrambling light, as it preserves the phase and coherence information of the optical signals flowing through it. Here we demonstrate our MMF inversion concept through numerical simulations, and efficiently sort and unscramble up to ~400 step-index fibre modes, reforming incoherent images of scenes at arbitrary distances from the distal fibre facet. We also describe how our optical inverter can dynamically adapt to see through flexible fibres with a range of experimentally realistic TMs - made possible by moulding optical memory effects into the structure of our design. Although complex, our inversion scheme is based on current fabrication technology so could be realised in the near future. Beyond imaging through scattering media, these concepts open up a range of new avenues for optical multiplexing, communications and computation in the realms of classical and quantum photonics.

研究の動機と目的

• マルチモードファイバーにおけるシリアル波フロントシェーピングの制限を克服し、スキャンや逐次的モード復号に制限されるイメージングを回避すること。
• マルチモードファイバーの遠位端で1回のスナップショットによる広視野イメージングおよび超解像顕微鏡法を実現すること。
• リアルタイム測定や電子フィードバックを必要としない受動的光学系を構築し、MMFの伝送行列を逆転させること。
• 光学信号の位相とコherー二ンスを保持し、量子イメージングや量子通信への応用を可能にすること。
• 再構成可能な位相マスクを用いて、異なるファイバー伝送行列に動的に適応可能な光学インバーターの開発

提案手法

• 光学インバーターは逆設計を用いて設計され、自由空間伝播を挟んだ29枚の回折型位相マスクの級進構造として、マルチプレーン光変換（MPLC）構造を形成する。
• システムは、物理的原理に基づいて設計された3つの機能的モジュール（モード分離モジュール、位相補正モジュール、モード結合モジュール）に構成される。これは、純粋にデータ駆動の最適化ではなく、物理的原理に基づく設計である。
• 設計は、ファイバーの空間モードを最適基底として用いてトレーニングされ、MMFを通る任意の画像の効率的表現を保証する。
• インバーターの伝達関数は、MMFの伝送行列の逆関数となるように設計されており、組み合わせたシステムが回折限界のポイント spread 関数と畳み込みされた恒等演算子として機能する。
• 1つの再構成可能な位相マスクを統合することで、光学記憶効果を組み込み、異なるファイバー伝送行列に動的に適応可能である。
• システムは物理的インスピレーションを受ける深層回折型ニューラルネットワークとしてモデル化され、強度データのみでトレーニングされた電子的ニューラルネットワークと性能を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受動的かつ完全に光学的なシステムとして、マルチモードファイバー内のすべての空間モードを1回のスナップショットで同時に復号できるか？
• RQ2 逆設計を用いて、マルチモードファイバーの伝送行列の正確な逆関数として機能する回折型光学素子をどのように設計できるか？
• RQ3 位相とコherー二ンスを保持しつつ、不協和光信号の復号において、このような光学インバーターが電子的ニューラルネットワークをどの程度上回るか？
• RQ4 光学インバーターは、異なるマルチモードファイバーや変化する伝送行列に動的に再構成可能か？
• RQ5 このような光学逆転システムのスペクトル帯域幅とイメージング距離の限界は何か？

主な発見

• 数値シミュレーションにおいて、光学インバーターは約400モードのステップインデックスファイバーのモードを正常に復号し、ファイバーの遠位端から任意の距離で不協和光画像を再構成可能である。
• 本システムは、従来の波フロントシェーピングのフレームレート制限やスキャン制限を克服し、MMFを通じた1回のスナップショットによる広視野イメージングを実現した。
• インバーターは光学信号の位相とコherー二ンスを保持しており、エンタングルメントを維持する必要がある量子イメージングや量子通信への応用が可能である。
• 強度データのみでトレーニングされた電子的ニューラルネットワークよりも優れた性能を示し、特に解像度の低下が最小限である不協和光信号の復号において顕著な優位性を示した。
• 再構成可能な位相マスクの統合により、実験的に現実的な伝送行列の範囲に動的に適応可能であり、柔軟性や可変性を持つファイバーでも運用可能である。
• 本システムの性能は、反復的計算を必要としないマルチプレーン光変換としての物理的構造に根ざしており、高精度な画像再構成を実現している。