La trasmissione di segnali multipli attraverso una fibra ottica Utilizzando Wavefront Shaping
Summary
We demonstrate the transmission of multiple independent signals through a multimode fiber using wavefront shaping employing a single spatial light modulator. By modulating the wavefront for each signal individually, spatially separated foci are transmitted. Potential applications are multiplexed data transfer in communications engineering and endoscopic light delivery in biophotonics.
Abstract
La trasmissione di più segnali ottici indipendenti attraverso una fibra multimodale viene eseguita mediante formatura fronte d'onda al fine di compensare la distorsione della luce durante la propagazione all'interno della fibra. La nostra metodologia si basa su digitale coniugazione di fase ottica utilizzando solo un singolo modulatore spaziale di luce, in cui il fronte d'onda ottica è modulata individualmente in diverse regioni del modulatore, una regione al segnale luminoso. approcci coniugazione di fase ottica digitali sono considerati più veloce di altri wavefront modellatura approcci, dove (per esempio) viene eseguita una determinazione completa del comportamento di propagazione dell'onda della fibra. Al contrario, il metodo presentato è tempo efficiente poiché richiede soltanto una calibrazione per ogni segnale luminoso. Il metodo proposto è potenzialmente appropriato per spaziale multiplexing divisione in Ingegneria delle telecomunicazioni. Ulteriori campi di applicazione sono la consegna luce endoscopica in biofotonica, in particolare in optogenetics, dove le cellule singole in tessuto biologico devono essere selettivamente illuminati con alta risoluzione spaziale e temporale.
Introduction
La trasmissione di più segnali di luce attraverso una fibra multimodale (MMF) è evidente nelle comunicazioni di ingegneria 1 e 2 biofotonica. In Ingegneria delle telecomunicazioni, spazio-division multiplexing (SDM) si crede di essere una soluzione praticabile al fine di migliorare la capacità di trasmissione delle fibre ottiche per le future applicazioni di trasferimento dati che beneficiano di un maggiore utilizzo dello spazio limitato, rispetto a più fibre monomodali 3. In biofotonica, campioni biologici sono manipolati trasmettendo la luce attraverso un endoscopio MMF 4. Ad esempio, il controllo ottico indipendente dei singoli neuroni utilizzando endoscopi MMF è di interesse per optogenetics per studiare reti neuronali nel cervello 5. Tuttavia, la luce proiettata sulla sfaccettatura di ingresso MMF è soggetto a distorsione dovuta alla modalità di miscelazione e dispersione durante la propagazione al output aspetto del MMF. Come risultato, la propagazione della luce viene alterata, che rende difficile la trasmissione del segnale.
Wavefront metodi di formatura 6, 7 sono applicati in dispersione media utilizzando modulatori spaziali di luce (SLM) e consentire la compensazione per la distorsione a causa di dispersione durante la propagazione della luce 8. Ci sono approcci iterativi che ottimizzano l'uscita utilizzando un feedback ottico 9. Questi approcci sono piuttosto tempo a causa della necessità per numerose iterazioni e l'alto grado di libertà, corrispondente ad un gran numero di elementi modulatori. Un altro approccio è quello di determinare completamente i distorsione ai MMF descritto dal suo matrice di trasmissione 10. Se il numero di modalità da trasmettere è grande, questo sarà tempo pure. In contrasto, digitale coniugazione di fase ottica (DOPC) è consideratoveloce e vantaggioso qui, dal momento che solo pochi punti focali devono essere generata nel sfaccettatura uscita del MMF. Approcci coniugazione di fase sono stati dimostrati per focalizzare o immagini attraverso tessuto biologico 12, 13, 14.
Finora, DOPC stato impiegato per un singolo segnale volta solo 15, 16, ed è stato applicato per la trasmissione della luce attraverso un MMF 17. Un approccio DOPC per molteplici segnali indipendenti non è stato realizzato. Abbiamo sviluppato un metodo DOPC migliorata fornendo la trasmissione indipendente di più segnali luminosi utilizzando wavefront individuale sagomatura per ciascun segnale impiegando un singolo di sola fase SLM 18. A questo scopo, il SLM è segmentata in regioni, uno per ogni segnale da trasmettere. L'apparato sperimentale proposto è mostrata in figura 1, Dove una calibrazione viene eseguita in a) prima della trasmissione effettiva accade in b).
Figura 1: configurazione sperimentale. BS = divisore di fascio, CCD = dispositivo ad accoppiamento di carica, OM = modulatore ottico, CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor, HWP = metà piatto dell'onda, L = lente, LP = polarizzatore lineare, MMF = fibra multimodale, obiettivo OBJ = microscopio, PBS = polarizzazione divisore di fascio, SLM = modulatore spaziale di luce (fase unica) – solo travi rilevanti per (a) la calibrazione e (b) la trasmissione sono raffigurati cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il montaggio del setup sperimentale (passaggio 1 nel protocollo) richiede un allineamento accurato dei componenti ottici rispetto all'altro. L'aspetto più importante è l'incidenza rettangolare delle travi di riferimento e la SLM, al fine di garantire un elevato PBR.
Al fine di migliorare la configurazione a più di due segnali trasmessi, separatori di fasci aggiuntivi potrebbero essere utilizzati. In alternativa, una implementazione a base di fibre sarebbe più compatta e robus…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The financial support by DFG (German research foundation, project CZ 55/30-1) for parts of this work is gratefully acknowledged.
Materials
| spatial light modulator | Holoeye | PLUTO‐VIS‐016 | |
| CMOS camera | Mikrotron | MC4082 | |
| diode‐pumped solid state laser | Laser Quantum | torus 532 | |
| CCD camera | IDS | U3‐3482LE‐M | CMOS camera; suitable as well |
| lens 1 | Qioptiq | G063204000 | |
| lens 2 | Qioptiq | G063203000 | |
| lens 3 | Thorlabs | AC508‐180‐A‐ML | |
| multimode fiber | Thorlabs | M14L02 | |
| beam splitters | Thorlabs | BS013 | 9x |
| polarizing beam splitters | Thorlabs | PBS251 | |
| mirrors | Thorlabs | PF10‐03‐P01 | 5x |
| microscope objectives | Thorlabs | RMS20X | 2x |
| half wave plates | Thorlabs | WPH10M‐532 | 2x |
| linear polarizer | Thorlabs | LPVISB050‐MP2 | |
| optical modulators | Thorlabs | MC2000B‐EC | 2x |
| linear and rotation stage for CMOS camera | Thorlabs | XYR1/M | |
| fiber connector | Thorlabs | S120‐SMA | 2x |
| reducing ring for microscope objectives | Qioptiq | G061621000 | 2x |
| xy adjustment for objective adapters | Qioptiq | G061025000 | 2x |
| z translation mount for fiber adapter | Thorlabs | SM1Z | 2x |
| rods for fiber alignment to objectives | Qioptiq | G061210000 | 8x |
| mounts for lenses 1 and 2 plus two phantom mounts | Qioptiq | G061047000 | 4x |
| rail carriers for objective and lens mounts | Qioptiq | G061372000 | 6x |
| rail for rail carriers | Qioptiq | G061359000 | 2x |
| adapter for CCD camera to 1 post | in-house | ||
| adapter for laser to 4 posts | in-house | ||
| mount for lens 3 | Thorlabs | LMR2/M | |
| mounts for half wave plates | Thorlabs | RSP1D/M | 2 |
| mounts for mirrors | Thorlabs | KM100 | 5x |
| mount for linear polarizer | Thorlabs | RSP05/M | |
| mounts for beam splitters and SLM | Thorlabs | KM100PM/M | 11x |
| clamping arms for beam splitters and SLM | Thorlabs | PM4/M | 11x |
| posts for mounts, rail carriers and adapters | Thorlabs | TR75/M | 29x |
| holders for posts | Thorlabs | PH50/M | 29x |
| pedestals for holders | Thorlabs | BE1/M | 29x |
| clamping forks for pedestals | Thorlabs | CF125 | 29x |
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