[论文解读] 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 7

一句话总结

本文提出了一种无源、衍射光学逆变器——通过逆向设计实现——可一次性解扰多模光纤（MMF）中所有空间模式，从而实现通过MMF的宽场超分辨率成像。该逆变器由一系列优化的相位掩模级联而成，作为互补散射介质，反转MMF的传输矩阵，保持相位与相干性，其在解扰非相干光时的性能优于电子神经网络，且分辨率损失极小。

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.

研究动机与目标

• 为克服多模光纤中串行波前整形的局限性，后者限制成像仅能通过扫描或逐模式解扰实现。
• 实现在多模光纤远端的单次曝光、宽场成像与超分辨率显微成像。
• 开发一种无源光学系统，可在无需实时测量或电子反馈的情况下反转MMF的传输矩阵。
• 保持光信号的相位与相干性，为量子成像与量子通信等应用提供可能。
• 通过可重构相位掩模，展示光学逆变器对不同光纤传输矩阵的动态适应能力。

提出的方法

• 利用逆向设计构建光学逆变器，形成由29个衍射相位掩模组成的级联结构，其间以自由空间传播分隔，构成多平面光转换（MPLC）结构。
• 系统划分为三个功能模块：模式分选模块、相位校正模块和模式合并模块，其设计基于物理原理而非纯粹的数据驱动优化。
• 设计以光纤的空间模式作为最优基底进行训练，确保对通过MMF传输的任意图像实现高效表征。
• 逆变器的转移函数被设计为MMF传输矩阵的逆，使得组合系统表现为与衍射受限点扩散函数卷积的单位操作。
• 通过集成单个可重构相位掩模，引入光学记忆效应，实现对不同光纤传输矩阵的动态适应。
• 系统建模为一种受物理启发的深度衍射神经网络，其性能与基于仅强度数据训练的电子神经网络进行基准对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种无源全光学系统，实现对多模光纤中所有空间模式的单次曝光同时解扰？
• RQ2 如何利用逆向设计构建一种衍射光学元件，使其成为多模光纤传输矩阵的精确逆？
• RQ3 此类光学逆变器在保持相位与相干性的同时，其在解扰非相干光信号方面相较于电子神经网络的性能优势有多大？
• RQ4 光学逆变器是否可动态重构，以适应不同多模光纤或变化的传输矩阵？
• RQ5 此类光学逆变系统在光谱带宽与成像距离方面存在何种极限？

主要发现

• 在数值模拟中，光学逆变器成功解扰了约400个阶跃折射率光纤模式，实现了在光纤远端任意距离处对非相干图像的重建。
• 系统实现了通过MMF的单次曝光宽场成像，克服了传统波前整形在帧率与扫描方面的限制。
• 逆变器保持了光信号的相位与相干性，为需维持纠缠特性的量子成像与量子通信应用提供了潜在支持。
• 与仅基于强度数据训练的电子神经网络相比，该设计在解扰非相干光时表现更优，且分辨率退化极小。
• 通过集成可重构相位掩模，逆变器可动态适应一系列实验上合理的传输矩阵，实现对柔性或可变光纤的运行支持。
• 该系统性能源于其作为多平面光转换器的物理架构，可在无需迭代计算的情况下实现高保真图像重建。