[论文解读] 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 95

一句话总结

该论文提出了一种利用标准多模光纤通过模式干涉引起的波长依赖性散斑图案实现紧凑、低成本的光谱仪。通过使用传输矩阵对光纤进行校准，并应用鲁棒的重建算法，该系统实现了高光谱分辨率——在20米光纤中分辨出8 pm的谱线间隔，并在2厘米光纤中测量了连续的超宽带谱，同时通过偏振多样性成像减轻了噪声和带宽限制。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于标准多模光纤的低成本、紧凑且高分辨率的光谱仪。
• 解决由于多模光纤中模式干涉引起的复杂散斑图案导致的输入光谱重建难题。
• 通过利用散斑图案成像中的偏振多样性，提高光谱重建精度和带宽。
• 表征多模光纤光谱仪中光纤长度、光谱分辨率和带宽之间的权衡关系。
• 在从窄线宽激光器到超宽带谱源的宽动态范围内，展示系统的实际可行性。

提出的方法

• 使用传输矩阵对多模光纤进行校准，以建立输入波长与输出散斑图案之间的映射关系。
• 应用鲁棒的逆算法，在实验噪声条件下从测量的散斑图案中重建输入光谱。
• 使用20米光纤对间距仅为8 pm的紧密间隔激光线进行高分辨率测量。
• 使用2厘米光纤测量来自超宽带谱源的连续宽带光谱。
• 实施正交偏振成像以降低散斑对比度，提高有效测量带宽。
• 系统分析光谱分辨率和带宽对光纤几何形状及散斑特性的依赖关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过对其波长依赖性散斑图案进行校准，将标准多模光纤有效重用于高分辨率光谱仪？
• RQ2 光纤长度如何影响多模光纤光谱仪中的光谱分辨率和测量带宽？
• RQ3 在测量密集或连续光谱时，散斑对比度降低对有效光谱带宽有何影响？
• RQ4 偏振多样性成像能否提高光谱重建精度并扩展可用带宽？
• RQ5 光纤基光谱仪系统在光谱分辨率和动态范围方面的实际极限是什么？

主要发现

• 20米长的多模光纤光谱仪成功分辨了仅相距8 pm的两条激光线，展示了高光谱分辨率。
• 2厘米长的光纤能够测量来自超宽带谱源的连续宽带光谱，表明其适用于宽波段应用。
• 该系统实现了高光谱分辨率且损耗低，适用于紧凑、轻量化和低成本的光学传感。
• 偏振多样性成像降低了光谱重建误差，并通过缓解散斑对比度限制，提高了有效带宽。
• 光谱分辨率和带宽与光纤长度和模式结构密切相关，分辨率与动态范围之间存在权衡。
• 传输矩阵校准方法即使在实验噪声存在的情况下，也能实现对任意输入光谱的鲁棒重建。