如何构建多模光纤的光学逆器件

当光通过多模光纤（MMF）传播时，其所携带的空间信息会被打乱。波前整形可以撤销这种打乱，通常一次针对一个空间模式——从而使 MMF 能够用作超薄微型内窥镜。在这项工作中，我们超越串行波前整形，展示了如何并行地同时解开从 MMF 射出的所有空间模式。我们引入一种被动多散射元件——通过逆向设计过程精心制作——它与 MMF 互补并撤销其光学效应。该光学逆变器使得通过 MMF 进行单帧宽场成像和超分辨成像成为可能。我们的设计由级联的衍射元件组成，既可从多平面光转换的角度理解，也可视为受物理启发的深度衍射神经网络。该物理架构可胜过 tasked with 解开光的 SOTA 电子神经网络，因为它保留了流经其中的光信号的相位与相干信息。此处我们通过数值模拟演示我们的 MMF 逆变换概念，并高效地对多达约 400 个阶跃折射率光纤模式进行排序与解扰，在距远端光纤端面任意距离处重建场景的非相干图像。我们还描述了我们的光学逆变器如何动态适应以通过具有一系列实验上真实的传输矩阵（TM）的柔性光纤进行观察——这通过将光学记忆效应塑入我们设计的结构中得以实现。尽管复杂，我们的逆方案基于当前制造技术，因此可在不久的将来实现。除通过散射介质成像外，这些概念为经典与量子光子学领域的光复用、通信和计算开辟了一系列新途径。