La transmisión de señales múltiples a través de una fibra óptica Uso de frente de onda 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 transmisión de múltiples señales ópticas independientes a través de una fibra multimodo se logra usando conformación del frente de onda con el fin de compensar la distorsión de luz durante la propagación dentro de la fibra. Nuestra metodología se basa en la conjugación de fase óptica digital que emplea un único modulador espacial de luz, donde el frente de onda óptica se modula de forma individual en diferentes regiones del modulador, una región por señal luminosa. enfoques conjugación de fase óptica digitales son considerados para ser más rápido que otros métodos de frente de onda, donde la formación de (por ejemplo) se lleva a cabo una determinación completa del comportamiento de la propagación de la onda de la fibra. En contraste, el enfoque presentado es eficiente en el tiempo ya que sólo requiere una calibración por señal luminosa. El método propuesto es potencialmente adecuado para la multiplexación por división espacial en la ingeniería de las comunicaciones. Otros campos de aplicación son el suministro de luz endoscópica en biofotónica, especialmente en Optogenetics, donde las células individuales en el tejido biológico tienen que estar iluminados selectivamente con alta resolución espacial y temporal.
Introduction
La transmisión de múltiples señales de luz a través de una fibra multimodo (MMF) es evidente en las comunicaciones de ingeniería 1 y 2 biofotónica. En la ingeniería de las comunicaciones, la multiplexación por división espacial (SDM) se cree que es una solución viable con el fin de mejorar la capacidad de transmisión de fibras ópticas para aplicaciones de transferencia de datos futuros que se benefician de una mayor utilización de la limitación de espacio, en comparación con múltiples fibras monomodo 3. En biofotónica, las muestras biológicas son manipulados por transmisión de luz a través de un endoscopio MMF 4. Por ejemplo, el control óptico independiente de las neuronas individuales utilizando endoscopios MMF es de interés para la optogenética con el fin de estudiar las redes neuronales en el cerebro 5. Sin embargo, la luz proyectada sobre la faceta de entrada MMF está sujeta a la distorsión debido a la mezcla y el modo de dispersión durante la propagación de la Output faceta del MMF. Como resultado, la propagación de la luz se altera, lo que hace difícil la transmisión de señales.
De frente de onda métodos que configuran 6, 7 se apliquen en la dispersión de los medios de comunicación que utilizan moduladores espaciales de luz (SLM) y permiten la compensación por la distorsión debida a la dispersión durante la propagación de la luz 8. Hay métodos iterativos que optimizan la salida usando una realimentación óptica 9. Estos enfoques son más bien lento debido a la necesidad de numerosas iteraciones y el alto grado de libertad, que corresponde a un gran número de elementos moduladores. Otro enfoque es determinar completamente la distorsión en el MMF se describe por su matriz de transmisión 10. Si el número de modos a transmitir es grande, esto será mucho tiempo también. En contraste, la conjugación de fase óptica digital (DOPC) se considera que esrápido y ventajoso, ya que sólo unos pocos puntos focales deberán ser aportados en la cara de salida de la MMF. Enfoques conjugación de fase también se han demostrado para el enfoque o formación de imágenes a través de tejido biológico 12, 13, 14.
Hasta el momento, DOPC se empleó una única señal de tiempo de sólo el 15, 16, y se aplicó para la transmisión de luz a través de un FMM 17. Un enfoque DOPC para múltiples señales independientes no se ha logrado. Hemos desarrollado un método mejorado DOPC proporcionar la transmisión independiente de múltiples señales de luz de frente de onda utilizando individuo conformación para cada señal de empleo de una sola fase de sólo SLM 18. Para este objetivo, el SLM se segmenta en regiones, una para cada señal a transmitir. La configuración experimental propuesto se representa en la Figura 1, Donde se realiza una calibración en a) antes de la transmisión real ocurre en b).
Figura 1: Montaje experimental. BS = divisor de haz, CCD = dispositivo de carga acoplada, OM = modulador óptico, CMOS = semiconductor complementario de óxido metálico, PMR = la mitad de la placa de onda, L = lentes, LP = polarizador lineal, MMF = fibra multimodo, objetivo OBJ = microscopio, PBS = divisor de haz polarizante, el MST = modulador espacial de luz (fase única) – sólo vigas relevantes para (a) la calibración y (b) la transmisión están representados por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
El montaje de la configuración experimental (paso 1 en el protocolo) requiere una alineación completa de los componentes ópticos con respecto a la otra. El aspecto más importante es la incidencia rectangular de los haces de referencia en el SLM con el fin de garantizar un alto PBR.
Con el fin de mejorar la configuración de más de dos señales de transmisión, se podrían utilizar divisores de haz adicionales. Como alternativa, una implementación basada en fibra sería más compacto y …
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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