[논문 리뷰] Multimode optical fiber based spectrometers

Brandon Redding, Sébastien M. Popoff외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 02. 19.

Advanced Fiber Optic Sensors참고 문헌 21인용 수 95

한 줄 요약

이 논문은 다중모드 광섬유의 모드 간섭으로 인한 파장에 따라 달라지는 스페클 패턴을 활용하여 표준 다중모드 광섬유를 사용해 소형이고 저비용의 분광계를 제안한다. 섬유를 전송 행렬으로 校정하고 강건한 재구성 알고리즘을 적용함으로써 시스템은 높은 스펙트럼 해상도를 달성한다 — 20m 길이의 섬유에서는 8pm 간격의 선을 해상하고, 2cm 길이의 섬유에서는 넓은 대역의 슈퍼컨티뉴움 스펙트럼을 측정한다 — 동시에 편향과 대역폭 제한을 극복하기 위해 편광 다양성 영상 기법을 활용한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 표준 다중모드 광섬유를 사용하여 저비용, 소형, 고해상도 분광계를 개발하기 위해.
• 다중모드 섬유 내 모드 간섭으로 인한 복잡한 스페클 패턴으로부터 입력 스펙트럼을 재구성하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 스페클 패턴 영상에서 편광 다양성을 활용하여 스펙트럼 재구성 정확도와 대역폭을 향상시키기 위해.
• 다중모드 섬유 분광계에서 섬유 길이, 스펙트럼 해상도, 대역폭 간의 상호 상충 관계를 규명하기 위해.
• 협역 레이저에서 슈퍼컨티뉴움 소스에 이르기까지 넓은 동적 범위에서의 실용적 타당성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 입사 파장과 출력 스페클 패턴 간의 관계를 맵핑하기 위해 다중모드 섬유를 전송 행렬로 校정하는 것.
• 실험적 노이즈 조건 하에서 측정된 스페클 패턴으로부터 입력 스펙트럼을 재구성하기 위해 강건한 역 알고리즘을 적용하는 것.
• 밀도가 높은 레이저 선(8pm 간격)을 고해상도 측정하기 위해 20m 길이의 섬유를 사용하는 것.
• 슈퍼컨티뉴움 소스에서 연속적인 광역 스펙트럼을 측정하기 위해 2cm 길이의 섬유를 사용하는 것.
• 스페클 대비를 감소시키고 효과적인 측정 대역폭을 증가시키기 위해 수직 편광 영상 기법을 구현하는 것.
• 섬유 기하학적 특성과 스페클 특성에 따른 스펙트럼 해상도 및 대역폭 의존성에 대한 체계적 분석을 수행하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준 다중모드 광섬유가 스페클 패턴의 파장 의존성 캘리브레이션을 통해 고해상도 분광계로 효과적으로 재사용될 수 있는가?
• RQ2 다중모드 섬유 분광계에서 섬유 길이가 스펙트럼 해상도와 측정 대역폭에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 밀도가 높거나 연속적인 스펙트럼을 측정할 경우, 스페클 대비 감소가 효과적 스펙트럼 대역폭에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 편광 다양성 영상 기법이 스펙트럼 재구성 정확도 향상과 사용 가능한 대역폭 연장에 기여할 수 있는가?
• RQ5 섬유 기반 분광계 시스템에서 스펙트럼 해상도와 동적 범위의 실용적 한계는 무엇인가?

주요 결과

• 20미터 길이의 다중모드 섬유 분광계는 단지 8pm 간격으로 떨어진 두 레이저 선을 성공적으로 해상하여 높은 스펙트럼 해상도를 입증하였다.
• 2cm 길이의 섬유는 슈퍼컨티뉴움 소스에서 연속적인 광역 스펙트럼을 측정할 수 있었으며, 광역 응용에 적합함을 보였다.
• 시스템은 낮은 손실로 높은 스펙트럼 해상도를 달성하여 소형, 경량, 저비용 광학 센서에 적합하였다.
• 편광 다양성 영상 기법은 스펙트럼 재구성 오차를 감소시키고 스페클 대비 제한을 완화함으로써 효과적 대역폭을 증가시켰다.
• 스펙트럼 해상도와 대역폭는 섬유 길이와 모드 구조에 강하게 의존하며, 해상도와 동적 범위 사이에 상호 상충 관계가 있음을 발견하였다.
• 전송 행렬 캘리브레이션 방법은 실험적 노이즈가 존재하는 상황에서도 임의의 입력 스펙트럼을 강건하게 재구성할 수 있도록 하였다.