Indberetning af flere signaler gennem en optisk fiber Brug 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
Transmission af flere uafhængige optiske signaler gennem en multimode fiber opnås ved anvendelse af bølgefront formning for at kompensere for den lette forvrængning under formering inde i fiberen. Vores metode er baseret på digital optisk fase konjugation anvender kun en enkelt rumlig lysmodulator, hvor den optiske bølgefront er individuelt moduleret på forskellige områder af modulatoren, én region pr lyssignal. Digitale optiske fase konjugationsmetoder metoder anses for at være hurtigere end andre bølgefrontdata forme strategier, hvor (f.eks) udføres en fuldstændig bestemmelse af bølgeudbredelse opførsel af fiberen. I modsætning hertil er den præsenterede fremgangsmåde er tidseffektive da den kun kræver én kalibrering pr lyssignal. Den foreslåede metode er potentielt egnet for fysisk division multiplexing i kommunikation teknik. Yderligere anvendelsesområder er endoskopisk lys levering i biofotonik, især i optogenetics, hvor enkelte celler i biologisk væv der skal selektivt belyst med høj rumlig og tidsmæssig opløsning.
Introduction
Transmissionen af flere lyssignaler gennem en multimode fiber (MMF) er tydelig i kommunikation teknik 1 og biofotonik 2. I kommunikation engineering, er rum-division multiplexing (SDM) menes at være en holdbar løsning for at øge transmissionskapaciteten af optiske fibre til fremtidige dataoverførsel applikationer nyder godt af en højere udnyttelse af den begrænsede plads, sammenlignet med flere fibre single-mode 3. I biofotonik, er biologiske prøver manipuleret af lystransmitterende gennem en MMF endoskop 4. For eksempel er den uafhængige optiske kontrol af individuelle neuroner ved anvendelse MMF endoskoper er af interesse for optogenetics for at studere neuronale netværk i hjernen 5. Men den projiceres på MMF input facet lys er underlagt forvrængning grundet tilstand blanding og spredning under opformering til output facet af MMF. Som et resultat heraf bliver lysudbredelsen ændret, hvilket gør signal transmission udfordrende.
Wavefront forme metoder 6, 7 anvendes på spredning medier, der bruger rumlige lys modulatorer (SLM) og aktivere kompensation for forvrængning på grund af spredning i løbet af lys formering 8. Der er iterative metoder, som optimerer output ved hjælp af en optisk tilbagemeldinger 9. Disse tilgange er temmelig tidskrævende på grund af nødvendigheden af talrige iterationer og den høje grad af frihed, svarende til et stort antal modulator elementer. En anden metode er at helt bestemme fordrejning som MMF beskrevet af sin transmission matrix 10. Hvis antallet af tilstande, der skal transmitteres, er stor, vil dette være tidskrævende samt. I modsætning hertil er digitale optiske fase konjugering (DOPC), der anses for at værehurtig og fordelagtig her, eftersom kun få fokale pletter skal fremskaffes på outputtet facet af MMF. Er også blevet påvist fase konjugationsfremgangsmåder tilgange til fokusering eller billeddannelse gennem biologisk væv 12, 13, 14.
Hidtil DOPC blev ansat for en enkelt gang signal kun 15, 16, og blev anvendt til transmission af lys gennem en MMF 17. En DOPC tilgang til flere uafhængige signaler ikke er fuldført. Vi har udviklet en forbedret DOPC metode giver den uafhængige transmission af flere lyssignaler anvender individuel bølgefront forme for hvert signal ansætte en enkelt fase kun SLM 18. Til dette formål er SLM segmenteret i regioner, en for hvert signal, der skal transmitteres. Den foreslåede Forsøgsopstillingen er vist i figur 1Når en kalibrering udføres i a) før den egentlige transmission sker i b).
Figur 1: Eksperimentel opsætning. BS = beam splitter, CCD = charge-coupled device, OM = optisk modulator, CMOS = komplementær metal-oxid halvleder, HWP = halv bølge plade, L = linse, LP = lineær polarisator, MMF = multimode fiber, OBJ = mikroskop mål, PBS = polariseringsstrålespalteren, SLM = rumlig lysmodulator (fase kun) – kun relevante bjælker til (a) kalibrering og (b) videregivelsen er afbildet klik her for at se en større version af dette tal.
Protocol
Representative Results
Discussion
Samlingen af forsøgsopstillingen (trin 1 i protokollen) kræver en grundig tilpasning af de optiske komponenter i forhold til hinanden. Det vigtigste aspekt er den rektangulære forekomst af reference- bjælker onto SLM for at sikre en høj PBR.
For at øge opsætningen til mere end to transmitterede signaler, kan yderligere stråledelere anvendes. Som et alternativ, ville en fiber-baseret implementering være mere kompakt og robust tillader systemet at være bærbare til in situ<…
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
