Calibração eficiente de comprimento de onda

2 de fevereiro de 2023

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pela Academia Chinesa de Ciências

Pesquisadores do Wellman Center for Photomedicine demonstraram que as mudanças dependentes do comprimento de onda na distribuição espacial da luz transmitida através de uma fibra óptica multimodo não são aleatórias, mas altamente previsíveis.

Eles desenvolveram um modelo de dispersão e métodos computacionais para medição eficiente da transmissão de luz através da fibra em um espectro de comprimentos de onda. O controle da transmissão espacial da luz com diferentes comprimentos de onda por meio de fibra multimodo possui um potencial significativo para aplicações em bioimagem e telecomunicações.

A fibra multimodo (MMF) consiste em um núcleo condutor de luz embutido em um revestimento com um diâmetro de apenas 125 µm, aproximadamente a espessura de um fio de cabelo humano. Ao contrário da fibra monomodo, que possui um núcleo pequeno o suficiente para guiar apenas um único modo espacial, o MMF possui centenas a milhares de modos espaciais que viajam com velocidades distintas e freqüentemente se acoplam entre si.

Como resultado, o MMF transmite luz com eficiência, mas sem manter seu padrão espacial. Um sinal de entrada é acoplado a uma combinação de modos que misturam e experimentam atrasos de fase distintos, criando uma saída aparentemente aleatória. No entanto, os campos eletromagnéticos de entrada e saída estão relacionados de forma linear e os coeficientes de acoplamento entre todos os modos de entrada e saída envolvidos definem a matriz de transmissão coerente da fibra. Nessa visão, o MMF pode ser tratado como um elemento óptico incomum.

Uma vez conhecida a matriz de transmissão, normalmente por meio de calibração, seu efeito pode ser compensado computacionalmente ou por meio de um modulador de luz espacial. O progresso no controle da transmissão de luz por meio de mídia tão complexa possui um potencial significativo para aplicações futuras, incluindo imagens por meio de MMF para uso em um endoscópio em miniatura em biomedicina e multiplexação espacial em telecomunicações.

Um dos desafios predominantes no controle da transmissão de luz através do MMF é a dependência do comprimento de onda da matriz de transmissão da fibra. Uma pequena mudança no comprimento de onda provoca, em geral, uma distribuição aparentemente independente do campo transmitido. A transmissão controlada em vários comprimentos de onda exigiu calibração tediosa de matrizes de transmissão em cada comprimento de onda.

Em um novo artigo publicado na Light: Science & Applications, pesquisadores do Wellman Center for Photomedicine em Boston agora demonstram que, longe de ser aleatório, a dependência do comprimento de onda da matriz de transmissão de fibra multimodo é altamente determinística. Eles desenvolveram um modelo de dispersão paramétrica e métodos computacionais para calibração eficiente da matriz de transmissão multiespectral de uma fibra, eliminando a necessidade de medições espectrais densas.

Há muito se reconhece que é possível encontrar um conjunto específico de padrões de entrada e padrões de saída correspondentes que são relativamente insensíveis a uma mudança no comprimento de onda. Um pulso de luz lançado em um desses 'modos principais' é transmitido através da fibra sem dispersão temporal e chega com um atraso característico do modo.

"Para alcançar o controle espacial e espectral completo, precisamos ser capazes de gerar uma superposição adequada de todos os modos principais, levando em consideração os deslocamentos de fase entre os vários modos e como essas fases mudam com o comprimento de onda", explica Szu-Yu Lee, principal autor do estudo e recente Ph.D. pós-graduação do programa de Ciências e Tecnologia da Saúde entre o MIT e Harvard.