Överföring av flera signaler via en optisk fiber Använda 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
Överföringen av multipla oberoende optiska signaler genom en multimodfiber åstadkommes med användning av vågfront formning för att kompensera för den lätta distorsion under fortplantningen i fibern. Vår metodik är baserad på digital optisk faskonjugering utnyttjar endast en enda Spatial Light Modulator, där den optiska vågfronten är individuellt moduleras vid olika regioner i modulatorn, en region per ljussignal. Digital optisk faskonjugering metoder anses vara snabbare än andra vågfront forma strategier, där (till exempel) en fullständig bestämning av vågutbredningen beteende fibern utförs. Däremot är den presenterade tillvägagångssätt tidseffektivt eftersom det endast kräver en kalibrering per ljussignal. Den föreslagna metoden är potentiellt lämplig för geografisk division multiplexing i kommunikation teknik. Ytterligare användningsområden är endoskopisk ljus leverans i biofotonik, särskilt i optogenetics, där enskilda celler i biologisk vävnad måste selektivt belysas med hög spatial och temporal upplösning.
Introduction
Överföringen av flera ljussignaler genom en multimodfiber (MMF) är tydlig i kommunikation teknik 1 och biofotonik 2. I telekommunikationsteknik, är rymd division multiplexing (SDM) tros vara en hållbar lösning för att öka överföringskapaciteten av optiska fibrer för framtida dataöverföringsapplikationer som omfattas av en högre utnyttjande av det begränsade utrymmet, jämfört med flera singelmodfibrer 3. I biofotonik är biologiska prover manipuleras av ljusgenomsläpp genom en MMF endoskop 4. Till exempel, är den oberoende optisk reglering av individuella nervceller med hjälp av MMF endoskop av intresse för optogenetik för att studera neuronala nätverk i hjärnan 5. Men är ljuset projiceras på MMF ingångs aspekt omfattas av distorsion på grund av läget blandning och dispersion under utbredning till output aspekt av MMF. Som ett resultat, är ljusutbredning ändras, vilket gör signalöverföring utmanande.
Wavefront formningsmetoder 6, 7 tillämpas i spridnings media med Spatial Light modulatorer (SLM) och gör det möjligt för kompensation för den snedvridning på grund av spridning under ljusets utbredning 8. Det finns iterativa metoder som optimerar utgång med en optisk återkoppling 9. Dessa tillvägagångssätt är ganska tidskrävande på grund av behovet av ett stort antal iterationer och den höga graden av frihet, motsvarande ett stort antal modulator element. Ett annat tillvägagångssätt är att helt bestämma förvrängningen inom MMF beskrivs av sändningarna matris 10. Om antalet moder som skall sändas är stor, kommer detta att vara tidskrävande samt. Däremot är digital optisk faskonjugering (DOPC) anses varasnabb och fördelaktig här, eftersom endast ett fåtal brännpunkter måste genereras vid utgången aspekt av MMF. Faskonjugering tillvägagångssätt har även visats för fokusering eller avbildning genom biologisk vävnad 12, 13, 14.
Hittills har DOPC användes för en enda tidssignal endast 15, 16, och tillämpades för överföring av ljus genom en MMF 17. En DOPC tillvägagångssätt för flera oberoende signaler har inte uppnåtts. Vi har utvecklat en förbättrad DOPC metod som ger oberoende överföring av flera ljussignaler med individuell vågfront formning för varje signal som använder en enda fas endast SLM 18. För detta ändamål är SLM segmenteras i regioner, ett för varje signal som skall sändas. Den föreslagna experimentuppställning visas i figur 1, Där en kalibrering utförs i a) före den faktiska sändningen sker i b).
Figur 1: Experimental setup. BS = stråldelare, CCD = charge-coupled device, OM = optisk modulator, CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor, HWP = halv våg plattan, L = lins, LP = linjär polarisator, MMF = multimode fiber, OBJ = mikroskopobjektiv, PBS = polariserande stråldelare, SLM = (spatial Light modulator fas endast) – endast relevanta balkar för (a) kalibrering och (b) överföringen är avbildade klicka här för att se en större version av denna siffra.
Protocol
Representative Results
Discussion
Monteringen av experimentuppställning (steg 1 i protokollet) kräver en grundlig inriktning av de optiska komponenterna med avseende på varandra. Den viktigaste aspekten är den rektangulära förekomsten av referenstrålarna på SLM i syfte att säkerställa en hög PBR.
För att öka inställnings till mer än två utsända signaler skulle ytterligare stråldelare användas. Som ett alternativ skulle en implementering fiberbaserade vara mer kompakt och robust att systemet ska vara portab…
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 |
References
- Richardson, D. J., Fini, J. M., Nelson, L. E. Space-division multiplexing in optical fibres. Nat. Photonics. 7 (5), 354-362 (2013).
- Kreysing, M., et al. Dynamic operation of optical fibres beyond the single-mode regime facilitates the orientation of biological cells. Nat. Commun. 5 (5481), 1-6 (2014).
- Winzer, P. J. Scaling optical fiber networks: Challenges and solutions. Opt. Photonics News. 26 (3), 28-35 (2015).
- Cižmár, T., Dholakia, K. Shaping the light transmission through a multimode optical fibre: complex transformation analysis and applications in biophotonics. Opt. Express. 19 (20), 18871-18884 (2011).
- Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity. Nat. Neurosci. 8 (9), 1263-1268 (2005).
- Philipp, K., et al. Volumetric HiLo microscopy employing an electrically tunable lens. Opt. Express. 24 (13), 15029-15041 (2016).
- Büttner, L., Leithold, C., Czarske, J. Interferometric velocity measurements through a fluctuating gas-liquid interface employing adaptive optics. Opt. Express. 21 (25), 30653-30663 (2013).
- Vellekoop, I. M. Feedback-based wavefront shaping. Opt. Express. 23 (9), 12189-12206 (2015).
- Mahalati, R. N., Askarov, D., Wilde, J. P., Kahn, J. M. Adaptive control of input field to achieve desired output intensity profile in multimode fiber with random mode coupling. Opt. Express. 20 (13), 14321-14337 (2012).
- Caravaca-Aguirre, A. M., Niv, E., Conkey, D. B., Piestun, R. Real-time resilient focusing through a bending multimode fiber. Opt. Express. 21 (10), 12881-12887 (2013).
- Cižmár, T., Dholakia, K. Exploiting multimode waveguides for pure fibre-based imaging. Nat. Commun. 3, 1027 (2012).
- Yaqoob, Z., Psaltis, D., Feld, M. S., Yang, C. Optical phase conjugation for turbidity suppression in biological samples. Nat. Photonics. 2 (2), 110-115 (2008).
- Ma, C., Xu, X., Liu, Y., Wang, L. V. Time-reversed adapted-perturbation (TRAP) optical focusing onto dynamic objects inside scattering media. Nat. Photonics. 8 (12), 931-936 (2014).
- Lee, K., Lee, J., Park, J. H., Park, J. H., Park, Y. One-wave optical phase conjugation mirror by actively coupling arbitrary light fields into a single-mode reflector. Phys. Rev. Lett. 115 (15), 153902 (2015).
- Cui, M., Yang, C. Implementation of a digital optical phase conjugation system and its application to study the robustness of turbidity suppression by phase conjugation. Opt. Express. 18 (4), 3444-3455 (2010).
- Hillman, T. R., et al. Digital optical phase conjugation for delivering two-dimensional images through turbid media. Sci. Rep. 3, (2013).
- Papadopoulos, I. N., Farahi, S., Moser, C., Psaltis, D. Focusing and scanning light through a multimode optical fiber using digital phase conjugation. Opt. Express. 20 (10), 10583-10590 (2012).
- Czarske, J. W., Haufe, D., Koukourakis, N., Büttner, L. Transmission of independent signals through a multimode fiber using digital optical phase conjugation. Opt. Express. 24 (13), 15128-15136 (2016).
- Kim, M. K. Principles and techniques of digital holographic microscopy. SPIE Rev. 1 (1), 01800501-01800550 (2010).
- Gu, R. Y., Mahalati, R. N., Kahn, J. M. Design of flexible multi-mode fiber endoscope. Opt. Express. 23 (21), 26905-26918 (2015).
- Katz, O., Small, E., Bromberg, Y., Silberberg, Y. Focusing and compression of ultrashort pulses through scattering media. Nat. Photonics. 5 (6), 372-377 (2011).
