파면 정형을 이용하여 광섬유를 통해 다중 신호 전송
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
다중 모드 광섬유를 통해 여러 개의 독립적 인 광 신호의 전송은 섬유 내의 전파 중에 광 왜곡을 보상하기 위해 파면 정형을 이용하여 달성된다. 우리의 방법은, 광 파면 개별적 변조기의 서로 다른 영역에서 변조 된 단일 공간 광 변조기, 광 신호 당 하나의 영역을 채용하는 디지털 광 위상 공액에 기초한다. 디지털 광 위상 공액 접근법 (예를 들어) 광섬유의 전파 동작의 완전한 결정이 수행되는 다른 파면을 형성하는 방법,보다 빠른 것으로 간주된다. 에만 광 신호 당 하나의 교정을 필요로하기 때문에 이와 대조적으로, 제시된 방법은 시간이 효과적이다. 제안 된 방법은 통신 공학 공간 분할 다중화 잠재적으로 적합하다. 또한 응용 분야, 특히 O를, 바이오 포토닉스에서 내시경 빛을 전달하다생체 조직에서 하나의 세포가 ptogenetics은 선택적으로 높은 공간 및 시간 해상도 조명한다.
Introduction
다중 모드 광섬유 (MMF)을 통한 다중 광 신호의 전송은 통신 기술 한 바이오 포토닉스 및 2에서 분명하다. 통신 공학, 공간 분할 다중화 (SDM)는 다수의 단일 모드 광섬유와 비교하여 제한된 공간의 활용도 혜택 장래 데이터 전송 애플리케이션을위한 광섬유의 전송 용량을 향상시키기 위해 가능한 해결책이 될 것으로 여겨진다 3. 바이오 포토닉스에서, 생물학적 시료는 MMF 내시경 (4)를 통해 광 투과에 의해 조작된다. 예를 들어, MMF 내시경을 이용하여 각각의 뉴런의 독립적 제어 광은 뇌 5 신경 네트워크를 연구하기 위해 optogenetics 대한 관심사이다. 그러나, MMF 입력면에 투사 된 빛이 outpu에 전파하는 동안 왜곡으로 인해 모드 혼합과 분산이 적용됩니다MMF를의 t 패싯. 결과적으로, 빛의 전파를 신호 전송 도전하게하는 변경된다.
파면을 형성하는 방법 (6), (7) 공간 광 변조기 (SLM)를 사용하여 미디어를 산란인가 의한 광의 전파 중에 8 산란으로 왜곡 보상을 가능하게한다. 광 피드백 9를 이용하여 출력을 최적화하는 반복적 인 방법이있다. 이러한 접근은 다소 시간이 있기 때문에 다수의 반복을위한 필요성과 높은 자유도 걸리는 모듈레이터 많은 요소에 대응한다. 또 다른 방법은 완전히 전송 행렬 (10)에 의해 설명 된 MMF 내의 왜곡을 결정하는 것이다. 전송하고자하는 모드의 개수가 큰 경우,이뿐만 아니라 시간이 소모 될 것이다. 반대로, 디지털 광 위상 공액 (DOPC)가되는 것으로 간주된다단지 소수의 초점 스팟 보낸 빠르고 여기 유리는 MMF의 출력면에서 발생해야한다. 위상 공액 접근법은 또한 생체 조직 (12, 13), (14)를 통해 포커싱 또는 이미징 입증되었다.
지금까지, DOPC 단일 시보 15, 16을 사용 하였다 및 MMF (17)을 통해 빛의 전송에 적용되었다. 다중 독립 신호용 DOPC 방식은 달성되지 않았다. 우리는 단일 위상 한정 SLM (18)를 이용하는 각각의 신호를 정형 개별 파면을 사용하여 다중 광 신호의 독립 송신을 제공하는 향상된 DOPC 방법을 개발 하였다. 이를 위해 상기 SLM은 각각의 신호에 대해 하나가 송신되는 영역들로 분할된다. 제안 된 실험 장치는 그림 1에 도시되어있다보정은 실제 전송에 앞서)가 수행된다) (B)에서 발생한다.
그림 1 : 실험 설정. BS = 빔 스플리터, CCD = 전하 결합 소자, OM은 = 광 변조기, CMOS는 = 상보 형 금속 산화 반도체, HWP는 = 반파 장판, L = 렌즈, LP = 선형 편광자 MMF = 다중 모드 광섬유, OBJ = 현미경 대물, PBS = 빔 스플리터, SLM = 공간 광 변조기 편광 (위상 만 해당) – 도시되어있다 (a)는 교정 및 (b)에 전송에만 해당 빔 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
Protocol
Representative Results
Discussion
실험 장치 (프로토콜 단계 1)의 조립은 서로에 대한 상기 광학 구성 요소의 완전한 정렬을 필요로한다. 가장 중요한 목적은 높은 PBR을 보장하기 위해서 SLM 상으로 기준 빔의 입사 직사각형이다.
두 개 이상의 송신 된 신호에 대한 설정을 향상시키기 위하여, 추가적인 빔 스플리터가 사용될 수있다. 대안으로, 섬유 기반의 구현은보다 컴팩트 한 시스템은 바이오 포토닉스 시…
Disclosures
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).
