Die Übertragung von mehreren Signalen über eine optische Faser Mit 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
Die Übertragung mehrerer unabhängiger optischer Signale durch eine Multimodenfaser verwendet geführt Wellenfrontformung, um die Licht Verzerrung während der Ausbreitung in der Faser zu kompensieren. Unsere Methode ist auf digitale optische Phasenkonjugation basierend nur einen einzigen räumlichen Lichtmodulator verwendet wird, wo die optische Wellenfront individuell an verschiedenen Bereichen des Modulators moduliert wird, eine Region pro Lichtsignal. Digitale optische Phasenkonjugation Ansätze gelten als schneller als andere Wellenfront Formungs Ansätze, wobei (beispielsweise) eine vollständige Bestimmung der Wellenausbreitungsverhalten der Faser durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu ist der vorgestellte Ansatz zeiteffizient, da sie nur pro Lichtsignal eine Kalibrierung erforderlich ist. Das vorgeschlagene Verfahren ist potentiell geeignet für die räumliche Multiplex in der Kommunikationstechnik. Weitere Anwendungsfelder sind endoskopische Lichtabgabe in der Biophotonik, vor allem in optogenetics, wobei einzelne Zellen in biologischen Gewebe haben mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung selektiv beleuchtet werden.
Introduction
Die Übertragung von mehreren Lichtsignale über eine Multimode – Faser (MMF) ist offensichtlich in der Kommunikationstechnik 1 und Biophotonik 2. In der Kommunikationstechnik, Raummultiplex (SDM) wird angenommen, dass eine tragfähige Lösung zu sein, um die Übertragungskapazität von optischen Fasern für die zukünftige Datenübertragungsanwendungen von einer höheren Ausnutzung des begrenzten Raumes, im Vergleich zu mehreren Single-Mode-Fasern profitieren zu verbessern 3. In der Biophotonik werden biologische Proben , die durch lichtdurchlässige durch ein MMF Endoskop 4 manipuliert. Zum Beispiel ist die unabhängige optische Kontrolle der einzelnen Neuronen MMF Endoskope mit von Interesse für die Optogenetik , um neuronale Netzwerke im Gehirn 5 zu studieren. Jedoch ist das Licht projiziert auf die MMF Eingangsfacette unterworfen Verzerrung aufgrund Modus Mischen und Dispersion während der Ausbreitung auf die output Facette des MMF. Als Ergebnis wird die Lichtausbreitung ändert, die Signalübertragung herausfordernd ist.
Wavefront – Formgebungsverfahren 6, 7 sind in Streumedien unter Verwendung von Raumlichtmodulatoren (SLM) angelegt und die Kompensation für die Verzerrung ermöglichen aufgrund 8 während der Lichtausbreitung Streuung. Es gibt iterative Ansätze, die die Ausgabe unter Verwendung einer optischen Rückkopplung 9 optimieren. Diese Ansätze sind ziemlich zeitaufwendig aufgrund der Notwendigkeit für eine Vielzahl von Iterationen und der hohen Freiheitsgrad, entsprechend einer Vielzahl von Modulatorelementen. Ein weiterer Ansatz ist , um vollständig die Verzerrung innerhalb der durch seine Sendematrix 10 beschrieben MMF bestimmen. Wenn die Anzahl von Moden zu übertragenden groß ist, wird diese Zeit als auch raubend sein. Im Gegensatz dazu wird digitale optische Phasenkonjugation (DOPC) angesehen werdenschnell und vorteilhaft, da nur wenige Brennflecken haben an der Ausgangsfacette des MMF erzeugt werden. Phasenkonjugation Ansätze auch zum Fokussieren oder Abbildung durch biologisches Gewebe 12, 13, 14 gezeigt.
Bisher wurde DOPC für ein einziges Zeitsignal verwendet nur 15, 16, und wurde für die Übertragung von Licht durch eine MMF 17 angelegt. Ein DOPC Ansatz für mehrere unabhängige Signale zu lassen nicht umgesetzt. Wir haben eine verbesserte DOPC Verfahren bietet die unabhängige Übertragung mehrerer Lichtsignale mit einzelnen Wellenfront für jedes Signal eines einzelnen Phasen nur 18 SLM unter Verwendung der Gestaltung entwickelt. Zu diesem Zweck wird der SLM in Bereiche segmentiert, eines für jedes Signal gesendet werden. Die vorgeschlagene experimentelle Aufbau ist in Abbildung 1 dargestellt, Wobei eine Kalibrierung in a) vor der eigentlichen Übertragung durchgeführt wird, geschieht in b).
Abbildung 1: Versuchsaufbau. BS = Strahlteiler, CCD = charge-coupled device, OM = optischer Modulator, CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor, HWP = Halbwellenplatte, L = Linse, LP = linearen Polarisator, MMF = Multimode-Faser, OBJ = Mikroskopobjektiv, PBS = polarisierenden Strahlteiler, SLM = Spatial Light Modulator (Phase nur) – nur relevant Balken für (a) die Kalibrierung und (b) die Übertragung dargestellt werden Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Der Zusammenbau des Versuchsaufbaus (Schritt 1 in dem Protokoll) erfordert eine sorgfältige Ausrichtung der optischen Komponenten in Bezug zueinander. Der wichtigste Aspekt ist die rechteckige Einfalls der Referenzstrahlen auf den SLM um eine hohe PBR zu gewährleisten.
Verwendet werden, um die Einrichtung zu mehr als zwei übertragenen Signale, zusätzliche Strahlteiler könnte zu verbessern. Als eine Alternative kann ein faserbasierte Implementierung wäre kompakter und robuster ist das S…
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
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