[論文レビュー] Self-configuring high-speed multi-plane light conversion

J. C. A. Rocha, Unė G. Būtaitė+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2025

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用数 4

ひとこと要約

paperは自己設定型の自由空間MPLCを示し、各平面で測定された伝送行列を用いてイン・スィット最適化を迅速なMEMS位相のみの変調器で実現し、高忠実度のモード変換と高速スイッチングを達成します。

ABSTRACT

Multi-plane light converters (MPLCs) - also known as linear diffractive neural networks - are an emerging optical technology, capable of converting an orthogonal set of optical fields into any other orthogonal set via a unitary transformation. MPLC design is a non-linear problem typically solved by optimising a digital model of the optical system. However, inherently high levels of design complexity mean that even a minor mismatch between this digital model and the physically realised MPLC leads to a severe reduction in real-world performance. Here we address this challenge by creating a self-configuring free-space MPLC. Despite the large number of parameters to be optimised (typically tens of thousands or more), our proof-of-principle device converges in minutes using a method in which light only needs to be transmitted in one direction through the MPLC. Two innovations make this possible. Firstly, we devise an in-situ optimisation algorithm combining wavefront shaping with the principles of wavefront matching that would conventionally be used to inverse-design MPLCs offline in simulation. Secondly, we introduce a new MPLC platform incorporating a microelectromechanical system (MEMS) phase-only light modulator - allowing rapid MPLC switching at up to kiloHertz rates. Our scheme automatically accounts for the physical characteristics of all system components and absorbs any unknown misalignments and aberrations into the final design. We demonstrate self-configured MPLCs capable of mapping random orthogonal speckle input fields to well-defined Laguerre-Gaussian and Hermite-Gaussian output modes, as well as universal mode sorters. Our work paves the way towards large-scale ultra-high-fidelity fast-switching MPLCs and diffractive neural networks, which promises to unlock new applications in areas ranging from optical communications to optical computing and imaging.

研究の動機と目的

• 高次元の空間モード変換を、単一路線SLMを超えて動機づける。
• MPLCsを実在の配置ずれや非点像誤差にも対応してイン・スィット最適化プロトコルを開発する。
• モードソーターを含む高忠実度の単一モードおよび複数モード変換を実証する。
• 迅速な収束とスイッチングを実現する高速切替え可能なMPLCプラットフォームを示す。

提案手法

• MPLCを平面間の伝送行列(TM)を介した複素光学媒質として扱う。
• 直交入力モードに対する平面-to-output TMを測定し、複素空間フィルタを計算する。
• 各平面の位相更新を forward TM inverse（s_m = T'_m^{-1} v）で計算し、位相マスクへ変換する。
• 出力忠実度の収束まで、平面ごとに座標降下法で更新を反復する。
• N入力モードへ拡張する際には、モード特異的フィルタを合計する（φ_m = arg[R * sum_n s_m^n]）。
• 高速スイッチングを可能にするMEMSベースの位相のみの光変調器(PLM)を用いて、双方向逆伝播を回避する前方のみの最適化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由空間のMPLCを、正確なデジタルモデルなしにイン・スィットで自己設定し、任意のモード対応を達成できるか。
• RQ2 TMベースのイン・スィット最適化を用いた単一・多モードMPLCでの収束挙動と忠実度はどの程度か。
• RQ3 MEMSベースのPLMが高速度のMPLC再設定・切替をどの程度実現するか。
• RQ4 実験的に複数の直交モードを並べ替え・成形する際の実用的な忠実度とクロストークはどの程度か。

主な発見

MPLC type	Figure no.	Inputs (N)	Samples (P)	Opt. params.	Tot. TMs	Opt. configs.	f (Hz)	d_TM (s)	d_mask (s)	t_opt (min)	Proj. t_opt (s)
Speckle to LG	1(b)	1	4096	16384	20	89,000	720	1.5	3	4	9
Speckle to HG	1(c)	3	4096	16384	80	354,000	720	1.5	7	13	27
HG sorter	4(a-e)	10	4096	16384	220	970,000	720	1.5	6	7	47	88
Speckle sorter	4(f-j)	7	8100	32400	160	1,225,000	720	10	15	64	122
Speckle sorter (Supp.)	Supp.	5	4096	16384	120	531,000	1440	1	7	10	44

• 自己設定型MPLCは、数万のパラメータでも数分で収束する（例として実験では最大で32,400）。
• 単一モードの再成形（スペックルからLG）で40回のマスク更新後に忠実度が最大0.95に達した。
• HGモードへ3入力モードを再成形した場合の忠実度は0.87–0.92。
• 普遍的なモードソーターを実証し、HGモードソーターでチャンネルあたりの平均クロストークが約-21 dB、スペックルソーターでは構成によって-15〜-18 dB。
• 4平面MPLCは10個のHGモードを三角形出力チャネル配置へソートし、クロストークと収束挙動を定量化。
• 現在の電子機器で最大1.44 kHzの高速切替をサポートしており、次世代 MEMS PLMsで10 kHzへの拡張を見込む。