העברת אותות מרובים דרך סיב אופטי באמצעות Wavefront לעיצוב
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
העברת אותות אופטיים מרובים עצמאיים באמצעות סיב multimode מושגת באמצעות עיצוב חזית גל על מנת לפצות על העיוות הקלה במהלך ההתפשטות בתוך הסיב. המתודולוגיה שלנו מבוססת על נטיית שלב דיגיטלית אופטי העסיקה רק מאפנן אור מרחבי יחיד, שבו חזית הגל האופטית מווסתת באופן פרטני על אזורים שונים של אפנן, באזור אחד לכל אות אור. גישות נטיית שלב אופטי דיגיטליות נחשבות מהר יותר מאשר גישות בעיצוב חזית גל שניות, שם (למשל) קביעה מלאה של התנהגות גל ההפצה של הסיבים מתבצעת. לעומת זאת, הגישה המוצגת היא זמן יעיל שכן הוא רק דורש כיול אחד לכל אות אור. השיטה המוצעת מתאימה פוטנציאלי עבור ריבוב חלוקת מרחבית בהנדסת תקשורת. שדות יישום נוספים הם משלוח האור אנדוסקופית ב Biophotonics, במיוחד optogenetics, שבו תאים בודדים ברקמות ביולוגיות צריכים להיות מואר באופן סלקטיבי עם רזולוציה גבוהה במרחב ובזמן.
Introduction
העברת אותות אור מרובים באמצעות סיב multimode (MMF) בא לידי ביטוי קומוניקציות הנדסיות 1 ו Biophotonics 2. בהנדסת תקשורת, ריבוב שטח החלוק (SDM) הוא האמין להיות פתרון בר קיימא על מנת לשפר את יכולת ההולכה של סיבים אופטיים עבור יישומי העברת נתונים עתידיים מרוויחה ניצול גבוה של השטח המוגבל, לעומת סיבים במצב יחיד מרובים 3. בשנת Biophotonics, דגימות ביולוגיות הן מניפולציות על ידי שידור האור דרך אנדוסקופ MMF 4. לדוגמא, השליטה האופטית העצמאית של נוירונים בודדים באמצעות אנדוסקופים MMF היא עניין של optogenetics כדי ללמוד רשתות נוירונים במוח 5. עם זאת, האור מוקרן על היבט קלט MMF כפוף עיוות עקב ערבוב במצב ופיזור במהלך התפשטות אל outpuהיבט t של MMF. כתוצאה מכך, התקדמות האור משתנה, מה שהופך אות השידור מאתגר.
Wavefront בעיצוב שיטות 6, 7 מיושמות פיזור מדיה באמצעות מאפנני אור מרחבים (SLM) ולאפשר פיצוי על העיוות בשל פיזור במהלך התקדמות אור 8. ישנן גישות איטרטיבי המביאות למרב את התפוקה באמצעות משוב אופטי 9. גישות אלה הן זמן רב למדי בגלל הצורך חזרות רבות ואת הרמה הגבוהה של חופש, מתאים למספר רב של אלמנטים אפננו. גישה נוספת היא לקבוע את העיוות לחלוטין בתוך MMF שתואר על ידי מטריקס התמסורת שלה 10. אם מספר מצבים להיות משודר הוא גדול, זה יהיה זמן רב גם כן. לעומת זאת, נטיית שלב דיגיטלית אופטי (dOPC) נחשבתמהיר יתרון כאן, מאז רק כמה מוקדי כתמים צריך להיווצר על היבט פלט של MMF. גישות נטיית שלב גם הוכחו למיקוד או הדמיה באמצעות רקמות ביולוגיות 12, 13, 14.
עד כה, dOPC הועסק אות פעם אחת בלבד 15, 16, ויושם להעברת אור דרך MMF 17. גישת dOPC עבור אותות עצמאיים רבים לא הושגה. פתחנו שיטת dOPC משופרת לספק את השידור העצמאי של אותות אור מרובים באמצעות חזית גל פרט בעיצוב עבור כל אות העסקת יחיד שלב בלבד SLM 18. למטרה זו, את SLM הוא מקוטע לתוך אזורים, אחד לכל אות להיות משודר. הגדרת הניסוי המוצעת מתוארת באיור 1, שבו הכיול מתבצע) לפני השידור בפועל קורה ב).
איור 1: הגדרת ניסוי. BS = קרן splitter, CCD = מכשיר תשלום מצמיד, OM = אפנן אופטי, CMOS = metal-oxide semiconductor משלימה, HWP = חצי גל צלחת, L = עדשה, מקטב ליניארי LP =, סיבי multimode MMF =, מטרת OBJ = מיקרוסקופ, PBS = מקטב הקרן splitter, SLM = מאפנן אור מרחבים (שלב בלבד) – רק קורות רלוונטיים (א) הכיול (ב) ההעברה המתוארות אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.
Protocol
Representative Results
Discussion
להרכבת הגדרת הניסוי (שלב 1 בפרוטוקול) דורשת התאמה יסודית של הרכיבים האופטיים עם כבוד זה לזה. ההיבט החשוב ביותר הוא השכיחות המלבנית של קורות הפניה על SLM כדי להבטיח גבוהה PBR.
על מנת לשפר את ההתקנה יותר משני אותות משודרים, מפצלי קרן נוס…
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).
