Прорывная оптика через многомодовые волокна

Исследование под названием «Технология передачи изображений по волокнам для минимально инвазивного эндоскопа разработана» отмечает уникальное значение оптических волокон: они обеспечивают высокую пропускную способность и безопасность при передаче данных в интернете и обработке больших массивов информации. При этом многомодовые волокна (MMF) с 10³–10⁴ режимами внутри тончайшего сердцевинного диаметра имеют решающее значение для реализации квантовых вычислений, микроэндоскопии и прочих оптических приложений.
Прорывная оптика через многомодовые волокна
Изображение носит иллюстративный характер

Сложность передачи оптических данных через MMF заключается в сильном рассеянии и модовой дисперсии, которые искажают исходные изображения. Традиционные методы на базе искусственных нейронных сетей и пространственных модуляторов света пока не достигли полноценного восстановления сигнала в режиме реального времени. Однако задача прямой оптической транспортировки изображения без искажений через многомодовые волокна оставалась ключевой целью оптотехники.

Группа учёных во главе с профессором Цимином Чжаном и доцентом Хаои Ю из Школы наук и технологий искусственного интеллекта (SAIST) при Университете Шанхая науки и технологий (USST) представила инновационное решение. Их результаты опубликованы в журнале «Nature Photonics» и показывают, как внедрение многослойных оптических дифракционных нейронных сетей (DN²) обеспечивает прямую передачу изображения через MMF.

DN², выполняющие матричные операции на скорости света, закладывают основы для высокопроизводительных оптических вычислений. Глубокая структура слоёв позволяет эффективно обрабатывать многочисленные режимы внутри волокна и устранять искажения. Сочетание компактного дизайна и широких возможностей прямой реконструкции открывает путь к полноценной интеграции с уже существующими оптическими системами.

В эксперименте использовался 0,35-метровый коммерческий многомодовый волоконный кабель с нанолитографически изготовленным на его дистальном конце миниатюрным DN² размером 150×150 мкм. Эта система способна передавать изображения размером 65×65 мкм с минимальной размерностью распознаваемой детали около 4,90 мкм и средним контрастом по интенсивности порядка 4%. Каждый слой демонстрирует дифракционную эффективность около 35%.

Для проверки универсальности сети применялось обучение с рукописными цифрами, но технологии также удалось успешно восстанавливать 31 изображение клеток HeLa, которые не входили в основной обучающий набор. Это доказывает характерную для DN² способность к переносу обучения даже при ограниченном наборе исходных данных.

Предполагается масштабное применение подобных систем в гибких и жёстких эндоскопах для минимально инвазивного исследования, а также в краткосрочных квантовых соединениях и других сферах передачи оптических сигналов. Подобный подход годится и для одномодовых, градиентно-индексных и дезорганизованных волокон, расширяя возможности оптогенетики, медицинской диагностики и телекоммуникаций.


Новое на сайте

20066[b]Фотосинтез в глазах мышей: возможно ли это без превращения в растение?[/b] 20065[b]СПКЯ стало СПМЯ: почему переименование болезни, затрагивающей миллионы женщин, заняло... 20064[b]Почему великая пирамида Гизы пережила все землетрясения за 4500 лет[/b] 20063[b]Генетика Homo erectus: что зубная эмаль рассказала о наших предках[/b] 20062[b]Кости в бухте эребус: что кости моряков Франклина рассказывают спустя полтора века[/b] 20061[b]Крупнейший плавучий ветрогенератор в мире: Китай испытывает установку у берегов... 20060[b]Карие глаза младенца стали индиго после лечения от COVID-19[/b] 20058[b]Почему серебряная чаша с Афиной пролежала в немецком лесу две тысячи лет?[/b] 20057[b]Дыра в атмосфере солнца: вспышка достигла пика и может зажечь полярное сияние[/b] 20056[b]Динго возрастом 950 лет: кто и зачем кормил могилу животного сотни лет?[/b] 20055[b]Томоэ гозэн: женщина-самурай, которая существовала на самом деле[/b] 20054[b]Что видели астронавты «Аполлона-12» над лунным горизонтом?[/b] 20053[b]Восковой блокнот на латыни и шёлковая туалетная бумага: кто посещал средневековый... 20052[b]Хантавирус на борту: 41 человек под наблюдением после рейса MV Hondius[/b]
Ссылка