[論文レビュー] Multimode optical fiber based spectrometers

Brandon Redding, Sébastien M. Popoff+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2013

Advanced Fiber Optic Sensors参考文献 21被引用数 95

ひとこと要約

本論文では、モード干渉による波長依存のスプライクルパターンを活用して、標準的なマルチモード光ファイバを用いたコンactで低コストなスペクトロメータを提案する。伝送行列によるファイバーキャリブレーションと頑健な再構成アルゴリズムを適用することで、20 mのファイバで8 pmの線分離を解像し、2 cmのファイバで広帯域スーパーコンtinuumスペクトルを測定する高スペクトル分解能を達成する。偏光ダイバーシティイメージングによりノイズと帯域制限を低減する。

ABSTRACT

A standard multimode optical fiber can be used as a general purpose spectrometer after calibrating the wavelength dependent speckle patterns produced by interference between the guided modes of the fiber. A transmission matrix was used to store the calibration data and a robust algorithm was developed to reconstruct an arbitrary input spectrum in the presence of experimental noise. We demonstrate that a 20 meter long fiber can resolve two laser lines separated by only 8 pm. At the other extreme, we show that a 2 centimeter long fiber can measure a broadband continuous spectrum generated from a supercontinuum source. We investigate the effect of the fiber geometry on the spectral resolution and bandwidth, and also discuss the additional limitation on the bandwidth imposed by speckle contrast reduction when measuring dense spectra. Finally, we demonstrate a method to reduce the spectrum reconstruction error and increase the bandwidth by separately imaging the speckle patterns of orthogonal polarizations. The multimode fiber spectrometer is compact, lightweight, low cost, and provides high resolution with low loss.

研究の動機と目的

• 標準的なマルチモード光ファイバを用いて低コストでコンパクトかつ高分解能なスペクトロメータを開発すること。
• マルチモードファイバ内のモード干渉によって生じる複雑なスプライクルパターンからの入射スペクトルの再構成という課題を克服すること。
• スプライクルパターンイメージングにおける偏光ダイバーシティの活用により、スペクトル再構成の正確性と帯域幅を向上させること。
• マルチモードファイバスペクトロメトリにおけるファイバ長、スペクトル分解能、帯域幅のトレードオフを特定すること。
• 狭帯域レーザーからスーパーコンチニウム光源に至る広いダイナミックレンジにおいて、実用的妥当性を示すこと。

提案手法

• 入射波長と出力スプライクルパターンの対応を伝送行列を用いてファイバーキャリブレーションする。
• 実験的ノイズ下でも測定されたスプライクルパターンから入射スペクトルを再構成するための頑健な逆問題アルゴリズムを適用する。
• 8 pmの線分離を解像するための高分解能測定に20 mのファイバを用いる。
• スーパーコンチニウム光源からの連続的広帯域スペクトルを測定するための2 cmのファイバを用いる。
• スプライクルコントラストの低減と有効測定帯域幅の増大を図るため、直交偏光イメージングを実装する。
• ファイバーゲオメトリとスプライクル特性に依存するスペクトル分解能および帯域幅の依存関係を体系的に分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なマルチモード光ファイバは、その波長依存スプライクルパターンのキャリブレーションにより、高分解能スペクトロメータとして効果的に再利用可能か？
• RQ2 ファイバ長はマルチモードファイバスペクトロメトリにおけるスペクトル分解能と測定帯域幅にどのように影響するか？
• RQ3 密なまたは連続的スペクトルを測定する際、スプライクルコントラスト低減が有効スペクトル帯域幅に与える影響は何か？
• RQ4 偏光ダイバーシティイメージングはスペクトル再構成の正確性を向上させ、利用可能な帯域幅を拡張できるか？
• RQ5 ファイバベーススペクトロメーターシステムにおける実用的限界としてのスペクトル分解能とダイナミックレンジは何か？

主な発見

• 20メートルのマルチモードファイバスペクトロメータは、わずか8 pmの分離で2本のレーザー線を解像し、高スペクトル分解能を示した。
• 2センチメートルのファイバはスーパーコンチニウム光源からの連続的広帯域スペクトルを測定でき、広帯域応用に適していることを示した。
• 低損失で高スペクトル分解能を達成したため、コンパクトで軽量かつ低コストな光学センシングに適している。
• 偏光ダイバーシティイメージングによりスペクトル再構成誤差が低減され、スプライクルコントラスト制限を緩和することで有効帯域幅が拡大した。
• スペクトル分解能と帯域幅は、ファイバ長およびモード構造に強く依存しており、分解能とダイナミックレンジのトレードオフが生じることが判明した。
• 伝送行列キャリブレーション法により、実験的ノイズが存在する中でも任意の入射スペクトルを頑健に再構成できることが示された。