Wavefront Şekillendirme kullanarak bir Fiber Optik aracılığıyla Çoklu Sinyalleri İletim
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
Bir çok modlu fiber üzerinden birden fazla bağımsız optik sinyallerin iletim fiber içinde yayılması sırasında ışık bozulmayı telafi etmek için dalga cephesi şekillendirme kullanılarak gerçekleştirilir. Metodoloji, optik dalga cephesi tek modülatör farklı bölgelerinde modüle edilir, yalnızca tek bir uzaysal ışık modülatörü, ışık sinyalinin her bir bölge kullanılarak bir dijital optik faz konjügasyonu dayanır. Dijital optik faz konjugasyon yaklaşımları (örneğin) fiber dalga yayılımı davranış tam tayini gerçekleştirilir, diğer dalga cephesi şekillendirme yaklaşımlar, daha hızlı olduğu kabul edilir. sadece ışık sinyali başına bir kalibrasyon gerektirir çünkü aksine, sunulan yaklaşım zaman etkilidir. Önerilen yöntem haberleşme mühendisliği mekansal bölmeli çoklama için potansiyel uygundur. Ayrıntılı uygulama alanları özellikle o da, Biophotonics endoskopik ışık teslim edilirbiyolojik doku tek hücre olan ptogenetics, seçici yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlüğe sahip aydınlatılmaya.
Introduction
Bir çok modlu fiber (MMF) üzerinden birden ışık sinyallerinin iletimi iletişim mühendisliği 1 ve Biophotonics 2 belirgindir. haberleşme mühendisliği, uzay-bölmeli çoklama (SDM) çoklu tek modlu liflere kıyasla sınırlı alanlarda daha yüksek bir kullanımından yararlanan gelecekteki veri transferi uygulamaları için fiber optik iletim kapasitesini artırmak amacıyla kalıcı bir çözüm olduğuna inanılmaktadır 3.. Biophotonics, biyolojik numuneler bir MMF endoskop 4 ile ışık verici tarafından manipüle edilir. Örneğin, MMF endoskoplar kullanılarak bireysel nöronların bağımsız optik kontrol beyinde 5 nöron ağları araştırmak için optogenetics ilgi olduğunu. Ancak, MMF giriş faset üzerine yansıtılan ışık Outpu yayılması sırasında bozulma nedeniyle mod karıştırma ve dağılma tabidirMMF t faset. Bunun bir sonucu olarak, ışık yayılma sinyali iletim güçleştirmektedir, değiştirilir.
Wavefront şekillendirme yöntemleri 6, 7 uzaysal ışık modülatörlerinin (SLM) kullanarak medya saçılma uygulanan ve bağlı hafif yayılması 8 sırasında saçılma bozulma için tazminat imkan verirler. Bir optik geribildirim 9 kullanarak çıktıyı optimize iteratif yaklaşım vardır. Bu yaklaşımlar yerine zaman, çünkü çok sayıda tekrarlamalar için gerekliliği ve özgürlük yüksek derecede tüketen modülatör elemanlarının çok sayıda gelen bulunmaktadır. Başka bir yaklaşım tamamen iletim matrisinin 10 tarafından açıklanan MMF içinde bozulma tespit etmektir. iletilecek modları sayısı büyükse, bu da zaman alıcı olacaktır. Bunun aksine, dijital optik faz konjugasyon (DOPC) olarak kabul edilirSadece birkaç odak noktalar beri, hızlı ve burada avantajlı MMF çıkış faset oluşturulan gerekmektedir. Faz konjugasyon yaklaşımları da biyolojik doku 12, 13, 14 ile odaklama veya görüntüleme için gösterilmiştir.
Şimdiye kadar, DOPC, tek bir saat sinyali sadece 15, 16 kullanılmıştır, ve MMF 17 ışığın iletimi için uygulanmıştır. Birden fazla bağımsız sinyaller için bir DOPC yaklaşım başarılı olmamıştır. Biz bir tek faz-sadece SLM 18 istihdam her sinyal için şekillendirme bireysel wavefront kullanarak birden fazla ışık sinyallerinin bağımsız iletimini sağlayan gelişmiş bir DOPC yöntem geliştirdik. Bu amaçla, SLM Her bir sinyal için iletilecek bölgeler halinde bölünür. Önerilen deney düzeneği Şekil 1 'de gösterilmektedirKalibrasyon gerçek iletim öncesi), bir gerçekleştirilir burada, b) 'de oluşur.
Şekil 1: Deney düzeneği. BS = ışın ayırıcı, CCD = şarj çiftli aygıt, OM = optik modülatör, CMOS = tamamlayıcı metal oksit yarı iletken, HWP = yarım dalga plakası, L = objektif, LP = doğrusal polarize, MMF = modlu fiber, OBJ = mikroskop objektif, PBS = ışın ayırıcı, SLM = uzaysal ışık modülatörü polarize (faz için) – tasvir edilmektedir: (a) kalibrasyon ve (b) iletimi için sadece ilgili kirişler bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Protocol
Representative Results
Discussion
deneysel kurulum (protokolünde aşama 1) montajı birbirine göre optik bileşenleri ayrıntılı bir hizalama gerektirir. en önemli yönü yüksek bir PBR sağlamak amacıyla SLM üzerine referans ışınlarının dikdörtgen insidansı.
ikiden fazla iletilen sinyallere setup artırmak amacıyla, ek bir ışın ayırma kullanılabilir. Bir alternatif olarak, elyaf bazlı bir uygulama daha kompakt ve sistem Biophotonics in situ araştırmalarda taşınabilir olmasını sağlayan 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
- 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).
