Transmissie van meerdere signalen door middel van een optische vezel met behulp van Golffront 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
De transmissie van meerdere onafhankelijke optische signalen via een multimode vezel wordt uitgevoerd onder toepassing golffront vormen ter compensatie van de lichte vervorming tijdens de propagatie in de vezel. Onze methodiek is gebaseerd op de digitale optische fase vervoeging gebruik slechts een enkele ruimtelijke lichtmodulator, waar de optische golffront afzonderlijk in verschillende regio's van de modulator wordt gemoduleerd, één regio per lichtsignaal. Digitale optische faseconjugatie methoden worden als sneller dan andere benaderingen golffront vormen, waarbij (bijvoorbeeld) een volledige bepaling van de golfvoortplanting gedrag van de vezel uitvoerbaar is. In tegenstelling, de gepresenteerde benadering tijdbesparende aangezien het slechts één kalibratie per lichtsignaal vereist. De voorgestelde methode is potentieel geschikt voor ruimtelijke division multiplexing in communicatie-engineering. Verdere toepassingsgebieden zijn endoscopische licht levering in biofotonica, vooral in de optogenetics, waarin enkelvoudige cellen in biologisch weefsel selectief worden belicht met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie.
Introduction
De overdracht van meerdere lichtsignalen door een multimode fiber (MMF) is duidelijk in communicatie-engineering 1 en biofotonica 2. In de communicatietechniek, wordt ruimte multiplexen (SDM) die geacht een levensvatbare oplossing om de transportcapaciteit van optische vezels voor toekomstige gegevensoverdracht toepassingen waarvoor een hogere gebruik van de beperkte ruimte, verbetering vergeleken met meerdere monomode vezels 3. In biofotonica, zijn biologische monsters gemanipuleerd door lichtdoorlatend door een MMF endoscoop 4. Bijvoorbeeld, de onafhankelijke optische controle van individuele neuronen via MMF endoscopen van belang voor optogenetics om neuronale netwerken te bestuderen in de hersenen 5. De licht geprojecteerd op de MMF ingang facet is onderworpen aan vervorming door mode menging en dispersie tijdens propagatie de Output facet van de MMF. Hierdoor wordt de lichtpropagatie veranderen, wat signaaloverdracht moeilijk maakt.
Wavefront vormgeven methoden 6, 7 worden toegepast in verstrooiing media met behulp van spatial light modulators (SLM) en schakel de compensatie voor de verstoring als gevolg van verstrooiing tijdens lichte propagatie 8. Er zijn iteratieve benaderingen die de uitgang met een optische feedback 9 optimaliseren. Deze benaderingen zijn tijdrovend vanwege de noodzaak van talrijke herhalingen en de grote mate van vrijheid, die overeenkomt met een groot aantal elementen modulator. Een andere benadering is om de vervorming binnen het door de transmissie matrix 10 MMF volledig te karakteriseren. Als het aantal toestanden te verzenden is groot, dit tijdrovend ook. Daarentegen wordt digitale optische faseconjugatie (DOPC) beschouwd alssnelle en hier voordelig, omdat slechts weinig focale vlekken moeten worden gegenereerd aan de uitgang facet van de MMF. Faseconjugatie benaderingen zijn ook aangetoond voor het focusseren of beeldvorming door middel van biologisch weefsel 12, 13, 14.
Tot dusver DOPC werd toegepast voor een tijdsignaal slechts 15, 16, en voor de transmissie van licht werd toegepast via een MMF 17. Een DOPC aanpak voor meerdere onafhankelijke signalen is nog niet volbracht. We hebben een verbeterde DOPC methode die de onafhankelijke transmissie van meerdere lichtsignalen met behulp van individuele golffront vormgeven voor elk signaal het gebruik van een enkel fase-single SLM 18 ontwikkeld. Hiertoe wordt de SLM gesegmenteerd in gebieden, één voor elke over te dragen signaal. De voorgestelde experimentele opstelling is weergegeven in figuur 1Wanneer een kalibratie wordt uitgevoerd in a) voor de eigenlijke overdracht gebeurt in b).
Figuur 1: Experimentele setup. BS = bundelsplitser, CCD = ladingsgekoppelde inrichting, OM = optische modulator, CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor, HWP = halve golfplaat, L = lens, LP = lineaire polarisator, MMF = multimode vezel, OBJ = microscoop objectief, PBS = polariserende bundelsplitser, SLM = ruimtelijke lichtmodulator (fase only) – alleen relevant balken voor (a) de kalibratie en (b) de overdracht zijn afgebeeld klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Protocol
Representative Results
Discussion
De montage van de experimentele opstelling (stap 1 in het protocol) is een grondige uitlijning van de optische componenten ten opzichte van elkaar. Het belangrijkste aspect is de rechthoekige incidentie van de referentiebundels op de SLM om een hoge PBR waarborgen.
Om de installatie meer dan twee verzonden signalen versterken, zouden aanvullende bundelsplitsers worden gebruikt. Als alternatief zou een op vezel gebaseerde implementatie compacter en robuuster zodat het systeem draagbaar …
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).
