通过光学多模光纤对波长相关传输进行有效校准

威尔曼光医学中心的研究人员已经证明，通过多模光纤传输的光的空间分布中与波长相关的变化不是随机的，而是高度可预测的。

他们开发了一种色散模型和计算方法，用于有效测量光在整个波长范围内通过光纤的传输。通过多模光纤控制不同波长的光的空间传输在生物成像和电信领域具有巨大的应用潜力。

多模光纤(MMF)由嵌入包层中的光导纤芯组成，其直径通常仅为125µm，约为人类头发的粗细。与纤芯小到只能引导单一空间模式的单模光纤不同，MMF有成百上千种空间模式，它们以不同的速度传播并且经常相互耦合。

因此，MMF可以有效地传输光，但不会保持其空间模式。输入信号耦合到混合模式的组合并经历不同的相位延迟，从而产生看似随机的输出。然而，输入和输出电磁场以线性方式相关，所有涉及的输入和输出模式之间的耦合系数定义了光纤的相干传输矩阵。从这个角度来看，MMF可以被视为一种不常见的光学元件。

一旦传输矩阵已知(通常通过校准)，就可以通过计算或通过空间光调制器来补偿其影响。通过这种复杂介质控制光传输的进展对未来的应用具有巨大的潜力，包括通过MMF成像以用于生物医学中的微型内窥镜，以及电信中的空间复用。

通过MMF控制光传输的主要挑战之一是光纤传输矩阵的波长依赖性。一般来说，波长的微小变化会引起传输场的看似独立的分布。多个波长的受控传输需要对每个波长的传输矩阵进行繁琐的校准。

在《光：科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，波士顿威尔曼光医学中心的研究人员现在证明，多模光纤传输矩阵的波长依赖性远非随机，而是高度确定性的。他们开发了一种参数色散模型和计算方法，可有效校准光纤的多光谱传输矩阵，从而无需进行密集光谱测量。

人们早就认识到，有可能找到一组特定的输入模式和相应的输出模式，这些模式对波长的变化相对不敏感。发射到这些“主要模式”中的一个的光脉冲在没有时间散射的情况下通过光纤传输，并以模式特性延迟到达。

“为了实现完全的空间和光谱控制，我们需要能够通过考虑各种模式之间的相位偏移以及这些相位如何随波长变化来生成所有主要模式的适当叠加，”Szu-YuLee解释说，该研究的主要作者和最近的博士学位。毕业于麻省理工学院和哈佛大学的健康科学与技术项目。

虽然主要模式提供尽可能小的波长依赖性，但它们最终会响应足够的波长变化而发生变化。

Szu-Yu的共同作者是VicenteParot，前任威尔曼光医学中心博士后研究员，现任智利天主教大学助理教授，BrettE.Bouma，威尔曼光医学中心教授，以及MartinVilliger，助理教授威尔曼光医学中心教授。

该团队认识到，可以使用指数图的代数概念有效地描述对波长相关模态相位延迟的所需控制。将色散发展成波长依赖性的各种数量级，进一步能够解释更一般的波长依赖性。

该公式的灵感来自低维系统中色散的建模方式，包括通过玻璃的自由空间传播或单模光纤中的偏振模色散。结合合适的计算工具，Szu-Yu和他的同事在研究中展示了如何将该模型拟合到仅在几个离散波长下测量的实验传输矩阵。至关重要的是，参数化可以在连续的波长范围内进行内推和外推。

“有效校准光纤的多光谱传输矩阵的能力可能对我的团队通过灵活的MMF成像的努力具有决定性作用。这个未来的目标将需要克服通过MMF控制光传输的另一个普遍挑战：光纤变形及其变化方式的挑战传输矩阵，”资深作者MartinVilliger解释道。