[논문 리뷰] How to build the optical inverse of a multimode fibre

Unė G. Būtaitė, Hlib Kupianskyi외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 04. 06.

Random lasers and scattering media참고 문헌 66인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 역설계를 통해 설계된 수동형 회절성 광학 인버터를 제안하며, 다중모드 섬유(MMF)의 모든 공간 모드를 한 번의 촬영으로 동시에 복원함으로써 MMF를 통한 광역 및 초해상도 영상 촬영을 가능하게 한다. 이 인버터는 최적화된 위상 마스크의 연쇄 구조로 구성되어 있으며, MMF의 전송 행렬을 반전시키는 보조 산란 매질로 작용하여 위상과 간섭성을 유지하며, 실시간 측정이나 전자 피드백이 필요하지 않은 수동 광학 시스템으로서 전자 신경망보다 해상도 손실 최소화로 인해 비코herent 광신호를 더 잘 복원한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다중모드 섬유에서의 순차적 위상면 보정의 제한을 극복하기 위해, 스캐닝 또는 순차적 모드 복원에 국한되는 영상 촬영을 방지한다.
• 다중모드 섬유의 종단부에서 단일 촬영, 광역 영상 촬영 및 초해상도 현미경 촬영을 가능하게 한다.
• 실시간 측정 또는 전자 피드백이 필요 없이 MMF의 전송 행렬을 역전시키는 수동 광학 시스템을 개발한다.
• 광학 신호의 위상과 간섭성을 유지하여 양자 영상 촬영 및 양자 통신 분야에서의 잠재적 응용을 가능하게 한다.
• 재구성 가능한 위상 마스크를 통해 다양한 섬유 전송 행렬에 동적으로 적응할 수 있는 광학 인버터의 동적 적응성을 입증한다.

제안 방법

• 광학 인버터는 역설계를 통해 자유공간 전파 간격을 두고 29개의 회절성 위상 마스크로 구성된 연쇄 구조를 설계하여 다중면광변환(MPLC) 구조를 형성한다.
• 시스템은 세 가지 功能 모듈로 구성된다: 모드 분류 모듈, 위상 보정 모듈, 모드 병합 모듈로, 순수 데이터 기반 최적화가 아닌 물리적 원리에 기반한다.
• 설계는 섬유의 공간 모드를 최적의 기저로 사용하여, MMF를 통해 전송되는 어떤 이미지도 효율적으로 표현할 수 있도록 훈련된다.
• 인버터의 전송 함수는 MMF의 전송 행렬의 역행렬이 되도록 설계되어, 병합된 시스템이 회절 한계 지점 분포 함수와 컨볼루션된 항등 연산자로 작용하도록 한다.
• 재구성 가능한 단일 위상 마스크를 통합하여 광학 기억 효과를 구현함으로써, 다양한 섬유 전송 행렬에 동적으로 적응할 수 있도록 한다.
• 시스템은 물리적 원리 기반의 깊이 회절 신경망으로 모델링되며, 강도 정보만을 사용하는 전자 신경망과의 성능 비교가 이루어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수동형, 전면 광학 시스템을 설계하여 다중모드 섬유의 모든 공간 모드를 한 번의 촬영으로 동시에 복원할 수 있는가?
• RQ2 역설계를 어떻게 활용하여 다중모드 섬유의 전송 행렬의 정확한 역행렬 기능을 가진 회절성 광학 요소를 제작할 수 있는가?
• RQ3 이러한 광학 인버터가 위상과 간섭성을 유지하면서도, 강도 정보만을 사용하는 전자 신경망보다 비코herent 광신호 복원에서 얼마나 뛰어난 성능을 보일 수 있는가?
• RQ4 광학 인버터는 다양한 다중모드 섬유 또는 변화하는 전송 행렬에 동적으로 재구성 가능할 수 있는가?
• RQ5 이러한 광학 역전환 시스템의 스펙트럼 대역폭과 영상 거리의 한계는 어디까지인가?

주요 결과

• 수치 시뮬레이션에서 광학 인버터는 약 400개의 스텝-인덱스 섬유 모드를 성공적으로 복원하여 섬유의 종단면에서 임의의 거리에 있는 비코herent 영상 재구성에 성공했다.
• 시스템은 전통적인 위상면 보정의 프레임 속도 및 스캐닝 제한을 극복하여, MMF를 통한 단일 촬영 광역 영상 촬영을 실현했다.
• 인버터는 광학 신호의 위상과 간섭성을 유지하여, 양자 얽힘이 유지되어야 하는 양자 영상 촬영 및 양자 통신 분야에서의 잠재적 응용 가능성을 열었다.
• 강도 정보만을 사용하는 전자 신경망보다 성능이 뛰어나며, 특히 해상도 손실 최소화로 비코herent 빛을 더 잘 복원한다.
• 재구성 가능한 위상 마스크의 통합으로 인해, 다양한 실험적으로 현실적인 전송 행렬에 동적으로 적응할 수 있으며, 융통성 있거나 가변적인 섬유에서도 작동 가능하다.
• 시스템의 성능은 반복 계산 없이도 고정밀 영상 재구성 가능성을 보장하는 다중면광변환의 물리적 구조에 뿌리를 두고 있다.