Overføring av flere signaler gjennom en optisk fiber ved hjelp av 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
Overføringen av flere uavhengige optiske signaler gjennom en flermodusfiber blir oppnådd ved anvendelse av bølgefront forming for å kompensere for den forvrengning lys under forplantning inne i fiberen. Vår metode er basert på digital optisk fasekonjugering som anvender bare en enkelt romlig lysmodulator, hvor den optiske bølgefronten er individuelt modulert på forskjellige regioner av modulator, en region pr lyssignal. Digital optisk fasekonjugering metodene vurderes å være raskere enn andre bølgefronten forme tilnærminger, hvor (for eksempel) en fullstendig bestemmelse av bølgeutbredelses oppførselen til fiberen er utført. I motsetning er presentert tilnærming tidseffektive siden det bare krever en kalibrering per lyssignal. Den foreslåtte metoden er potensielt passende for romlig multipleksing i kommunikasjon engineering. Ytterligere bruksområder er endoskopisk lys levering i biophotonics, spesielt i optogenetics, hvor enkeltceller i biologisk vev må være selektivt belyst med høy romlig og tidsmessig oppløsning.
Introduction
Overføringen av flere lyssignaler gjennom en multimode fiber (MMF) er tydelig i kommunikasjon engineering 1 og biophotonics 2. I kommunikasjonsteknikk, er plass delt multipleksing (SDM) antatt å være en levedyktig løsning for å øke overføringskapasiteten av optiske fibre for fremtidige data overføringsformål nyter godt av en bedre utnyttelse av den begrensede plass, sammenlignet med flere enkelt-modusfibre 3. I biophotonics, er biologiske prøver manipulert av lys som sender gjennom en MMF endoskop 4. For eksempel, er den uavhengig optisk kontroll av individuelle nevroner ved hjelp av MMF endoskop av interesse for optogenetics for å studere nevrale nettverk i hjernen 5. Imidlertid lyset projisert på MMF inngangs fasett er utsatt for forvrengning på grunn av modus blanding og dispersjonen under forplantning til output fasett av MMF. Som et resultat blir lys forplantning forandres, noe som gjør signaloverføring utfordrende.
Wavefront forme metoder 6, blir 7 brukt i spredning medier med romlige lysmodulatorene (SLM) og aktivere kompensasjon for forvrengning på grunn av spredning på lyset forplantning 8. Det er iterative tilnærminger som optimaliserer produksjonen ved hjelp av en optisk tilbakemelding 9. Disse fremgangsmåter er ganske tidkrevende på grunn av nødvendigheten av tallrike gjentakelser og den høye grad av frihet, tilsvarende et stort antall modulator- elementer. En annen tilnærming er å fullstendig bestemme forvrengningen i MMF beskrevet ved sin overføring matrise 10. Hvis antall modi som skal overføres, er stor, vil dette være tidkrevende også. I motsetning til dette er digital optisk fasekonjugering (DOPC) som anses å værerask og fordelaktig her, siden bare noen få fokale stedene må genereres på utgangen fasett av MMF. Fasekonjugering tilnærminger har også blitt demonstrert for fokusering eller avbildning gjennom biologisk vev 12, 13, 14.
Så langt, DOPC ble anvendt for en enkelt tidssignal bare 15, 16, og ble anvendt for overføring av lys gjennom en MMF 17. En DOPC tilnærming for flere uavhengige signaler som ikke har blitt oppnådd. Vi har utviklet en forbedret fremgangsmåte DOPC gi uavhengig overføring av flere lyssignaler ved hjelp av individuell bølgefront forming for hvert signal som anvender en enkelt fase-bare SLM 18. Til dette formål blir SLM segmentert i regioner, en for hvert signal som skal sendes. Den foreslåtte eksperimentelle oppsettet er vist i figur 1, Hvor en kalibrering utføres i a) før selve overføringen skjer i b).
Figur 1: Eksperimentell oppsett. BS = stråledeler, CCD = CCD, OM = optisk modulator, CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor, HWP = halv bølge plate, L = linse, LP = lineær polarisator, MMF = multimode fiber, OBJ = mikroskop objektiv, PBS = polariserende stråledeler, SLM = romlig lys modulator (fase only) – bare relevante tømre (a) kalibrering og (b) overføring er avbildet klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Monteringen av det eksperimentelle oppsettet (trinn 1 i protokollen) krever en grundig justering av de optiske komponentene i forhold til hverandre. Det viktigste er den rektangulære forekomsten av referanse bjelker bort på SLM for å sikre en høy PBR.
For å forbedre oppsettet til mer enn to overførte signaler, kunne flere stråledelere brukes. Som et alternativ, kan en fiberbasert implementering være mer kompakt og robust slik at systemet å være bærbar for in situ undersø…
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).
