Calibración eficiente de la longitud de onda

2 de febrero de 2023

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por la Academia China de Ciencias

Investigadores del Wellman Center for Photomedicine han demostrado que los cambios dependientes de la longitud de onda en la distribución espacial de la luz transmitida a través de una fibra óptica multimodo no son aleatorios sino altamente predecibles.

Desarrollaron un modelo de dispersión y métodos computacionales para la medición eficiente de la transmisión de luz a través de la fibra en un espectro de longitudes de onda. El control de la transmisión espacial de la luz con diferentes longitudes de onda a través de fibra multimodo tiene un potencial significativo para aplicaciones en bioimagen y telecomunicaciones.

La fibra multimodo (MMF) consta de un núcleo de guía de luz incrustado en un revestimiento con un diámetro de solo 125 µm, aproximadamente el grosor de un cabello humano. A diferencia de la fibra monomodo, que tiene un núcleo que es lo suficientemente pequeño como para guiar solo un único modo espacial, MMF tiene cientos de miles de modos espaciales que viajan con distintas velocidades y frecuentemente se acoplan entre sí.

Como resultado, MMF transmite la luz de manera eficiente, pero sin mantener su patrón espacial. Una señal de entrada se acopla a una combinación de modos que se mezclan y experimentan distintos retrasos de fase, creando una salida aparentemente aleatoria. Sin embargo, los campos electromagnéticos de entrada y salida están relacionados de forma lineal y los coeficientes de acoplamiento entre todos los modos de entrada y salida involucrados definen la matriz de transmisión coherente de la fibra. Desde este punto de vista, MMF puede tratarse como un elemento óptico poco común.

Una vez que se conoce la matriz de transmisión, generalmente a través de la calibración, su efecto puede compensarse computacionalmente o por medio de un modulador de luz espacial. El progreso en el control de la transmisión de luz a través de medios tan complejos tiene un potencial significativo para aplicaciones futuras, incluida la generación de imágenes a través de MMF para su uso como endoscopio en miniatura en biomedicina y multiplexación espacial en telecomunicaciones.

Uno de los desafíos predominantes con el control de la transmisión de luz a través de MMF es la dependencia de la longitud de onda de la matriz de transmisión de la fibra. Un cambio diminuto en la longitud de onda provoca, en general, una distribución aparentemente independiente del campo transmitido. La transmisión controlada en múltiples longitudes de onda ha requerido una calibración tediosa de las matrices de transmisión en cada longitud de onda.

En un nuevo artículo publicado en Light: Science & Applications, los investigadores del Wellman Center for Photomedicine en Boston ahora demuestran que, lejos de ser aleatoria, la dependencia de la longitud de onda de la matriz de transmisión de fibra multimodo es altamente determinista. Desarrollaron un modelo de dispersión paramétrica y métodos computacionales para la calibración eficiente de la matriz de transmisión multiespectral de una fibra, obviando la necesidad de mediciones espectrales densas.

Durante mucho tiempo se ha reconocido que es posible encontrar un conjunto específico de patrones de entrada y patrones de salida correspondientes que son relativamente insensibles a un cambio en la longitud de onda. Un pulso de luz lanzado en uno de estos "modos principales" se transmite a través de la fibra sin dispersión temporal y llega con un retraso característico del modo.

"Para lograr un control espacial y espectral completo, debemos poder generar una superposición adecuada de todos los modos principales teniendo en cuenta las compensaciones de fase entre los distintos modos y cómo estas fases cambian con la longitud de onda", explica Szu-Yu Lee, autor principal del estudio y reciente Ph.D. Graduado del programa de Ciencias y Tecnología de la Salud entre MIT y Harvard.

Y aunque los modos principales ofrecen la dependencia de longitud de onda más pequeña posible, eventualmente cambian en respuesta a una variación de longitud de onda suficiente.

Los coautores de Szu-Yu son Vicente Parot, anteriormente investigador postdoctoral en el Wellman Center for Photomedicine y ahora profesor asistente en la Pontificia Universidad Católica de Chile, Brett E. Bouma, profesor en el Wellman Center for Photomedicine, y Martin Villiger, asistente Profesor del Wellman Center for Photomedicine.

El equipo reconoció que el control necesario de los retrasos de fase modal dependientes de la longitud de onda se podía describir de manera eficiente con el concepto algebraico de un mapa exponencial. El desarrollo de la dispersión en varios órdenes de dependencia de la longitud de onda permitió además tener en cuenta una dependencia de la longitud de onda más general.

Esta formulación se inspiró en la forma en que se modela la dispersión en sistemas de menor dimensión, incluida la propagación en el espacio libre a través del vidrio o la dispersión del modo de polarización en fibras monomodo. Combinado con herramientas informáticas adecuadas, Szu-Yu y sus colegas demuestran en el estudio cómo el modelo puede adaptarse a matrices de transmisión experimental medidas en solo unas pocas longitudes de onda discretas. Fundamentalmente, la parametrización permite la interpolación y la extrapolación en un rango continuo de longitudes de onda.

"La capacidad de calibrar eficientemente la matriz de transmisión multiespectral de la fibra puede ser decisiva para los esfuerzos de mi equipo de obtener imágenes a través de MMF flexible. Este objetivo futuro requerirá superar otro desafío predominante de controlar la transmisión de luz a través de MMF: el desafío de la deformación de la fibra y la forma en que cambia la matriz de transmisión", explica el autor principal Martin Villiger.

Más información: Szu-Yu Lee et al, Modelado de dispersión eficiente en fibra óptica multimodo, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-022-01061-7

Información del diario:Luz: ciencia y aplicaciones

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