انتقال إشارات متعددة من خلال الألياف البصرية عن طريق واجهة الموجة تشكيل
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
ويتم إنجاز نقل الإشارات الضوئية مستقلة متعددة من خلال الألياف متعددة باستخدام تشكيل واجهة الموجة من أجل تعويض عن تشويه خفيفة خلال نشر في الألياف. ويستند منهجيتنا في المرحلة البصرية الرقمية اقتران توظيف فقط المغير واحد المكاني للضوء، حيث التضمين واجهة الموجة الضوئية بشكل فردي في مناطق مختلفة من المغير، منطقة واحدة في إشارة الضوء. تعتبر النهج اقتران المرحلة البصرية الرقمية لتكون أسرع من النهج واجهة الموجة تشكيل أخرى، حيث (على سبيل المثال) يتم تنفيذ تقرير كامل للسلوك الموجات من الألياف. في المقابل، فإن النهج الذي عرضه هو كفاءة في استهلاك للوقت لأنه يتطلب فقط معايرة واحدة في إشارة الضوء. الطريقة المقترحة من المحتمل أن يكون مناسبا لمضاعفة تقسيم المكاني في هندسة الاتصالات. المزيد من مجالات التطبيق هي بالمنظار تسليم ضوء في بيوفوتونيك، خصوصا في سptogenetics، حيث الخلايا واحدة في الأنسجة البيولوجية يجب أن تكون مضاءة بشكل انتقائي مع القرار المكانية والزمانية عالية.
Introduction
نقل الإشارات الضوئية متعددة من خلال الألياف متعددة (MMF) هو واضح في مجال الاتصالات والهندسة 1 و 2 بيوفوتونيك. في هندسة الاتصالات، ويعتقد تقسيم مساحة مضاعفة (SDM) ليكون حلا قابلا للتطبيق من أجل تعزيز قدرة انتقال من الألياف البصرية لتطبيقات نقل البيانات في المستقبل الاستفادة من زيادة استخدام من مساحة محدودة، مقارنة متعددة الألياف أحادية النمط 3. في بيوفوتونيك، يتم التلاعب العينات البيولوجية التي يحيل الضوء من خلال المنظار MMF 4. على سبيل المثال، والسيطرة البصرية مستقلة من الخلايا العصبية الفردية باستخدام المناظير MMF هي من مصلحة لعلم البصريات الوراثي لدراسة الشبكات العصبية في الدماغ 5. ومع ذلك، وعلى ضوء المتوقعة على الوجه MMF المدخلات يخضع للتشويه بسبب الوضع الخلط والتشتت أثناء انتشار للتبور وجه من وجوه MMF. ونتيجة لذلك، يتم تبديل لانتشار الضوء، مما يجعل نقل الإشارات تحديا.
واجهة الموجة طرق تشكيل 6، يتم تطبيق 7 في نثر الوسائط باستخدام جهري ضوء المكانية (حركة تحرير السودان) وتمكين تعويضا عن تشويه بسبب تناثر خلال انتشار الضوء 8. هناك أساليب تكرارية تحسين الانتاج باستخدام ردود الفعل البصري 9. هذه المناهج هي بالأحرى تستغرق وقتا طويلا بسبب ضرورة للعديد من التكرار ودرجة عالية من الحرية، المقابلة لعدد كبير من العناصر المغير. وثمة نهج آخر هو تحديد تماما تشويه داخل MMF التي وصفها مصفوفة انتقاله 10. وإذا كان عدد من وسائط إلى أن تنتقل كبير، وهذا سوف يكون مضيعة للوقت أيضا. في المقابل، يعتبر الرقمي اقتران المرحلة البصرية (DOPC) ليكونسريع ومفيد هنا، منذ البقع التنسيق قليلة لا تملك إلا أن تكون ولدت في الوجه الناتج من MMF. كما تم أثبتت نهج اقتران المرحلة للتركيز أو التصوير من خلال الأنسجة البيولوجية 12 و 13 و 14.
حتى الآن، كان يعمل DOPC إشارة زمنية واحدة فقط 15، 16، و تم تطبيق لنقل الضوء عبر MMF 17. لم يتم إنجاز نهج DOPC لإشارات مستقلة متعددة. لقد قمنا بتطوير طريقة DOPC تعزيز توفير انتقال مستقل من الإشارات الضوئية متعددة باستخدام واجهة الموجة الفردية تشكيل لكل إشارة توظيف حركة تحرير السودان واحدة المرحلة فقط 18. لتحقيق هذا الهدف، ومجزأة حركة تحرير السودان إلى أقاليم، واحد لكل إشارة إلى أن تنتقل. ويصور الإعداد التجريبية المقترحة في الشكل 1، حيث يتم إجراء المعايرة في أ) قبل الإرسال الفعلي يحدث في ب).
الشكل 1: الإعداد التجريبية. BS = شعاع الخائن، CCD = الجهاز المسؤول عن جانب، OM = المغير الضوئي، المكمل = مكمل معدن أكسيد أشباه الموصلات، ومنتجات الخشب المقطوع = موجة لوحة، L = عدسة، ليرة لبنانية = الخطي المستقطب، MMF = الألياف متعددة، الهدف نصف الكائنات = المجهر، برنامج تلفزيوني = استقطاب الخائن شعاع، حركة تحرير السودان = المكاني المغير ضوء (المرحلة فقط) – فقط الحزم ذات الصلة (أ) معايرة و (ب) نقل وصفت الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.
Protocol
Representative Results
Discussion
في تجميع الإعداد التجريبية (الخطوة 1 في البروتوكول) يتطلب محاذاة دقيقة من المكونات البصرية مع الاحترام لبعضهما البعض. الجانب الأكثر أهمية هو حدوث مستطيلة من الحزم إشارة إلى حركة تحرير السودان من أجل ضمان PBR عالية.
من أجل تعزيز الإ?…
Declarações
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 |
Referências
- 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).
