Transmission des signaux multiples à travers une fibre optique utilisant Wavefront 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
La transmission de signaux optiques indépendants multiples à travers une fibre optique multimode est réalisée en utilisant la mise en forme de front d'onde afin de compenser la distorsion de la lumière lors de la propagation dans la fibre. Notre méthodologie est basée sur la conjugaison de phase numérique optique utilisant un seul modulateur de lumière spatiale, où le front d'onde optique est modulée individuellement à différentes régions du modulateur, une région par signal lumineux. approches de conjugaison de phase optique numérique sont considérés comme plus rapide que d'autres approches de mise en forme de front d'onde, où (par exemple) une détermination complète du comportement de propagation des ondes de la fibre est réalisée. En revanche, l'approche présentée est temps efficace car il ne nécessite qu'un seul étalonnage par signal lumineux. La méthode proposée est potentiellement approprié pour l'espace de multiplexage par répartition dans l'ingénierie des communications. domaines d'application supplémentaires sont la livraison de la lumière endoscopique en biophotonique, en particulier dans optogenetics, où des cellules individuelles dans les tissus biologiques doivent être éclairés de manière sélective avec une résolution spatiale et temporelle.
Introduction
La transmission des signaux lumineux multiples à travers une fibre multimode (MMF) est évidente dans les communications d' ingénierie 1 et 2 biophotonique. Dans l'ingénierie des communications, l'espace de multiplexage par répartition (SDM) est considéré comme une solution viable afin d'améliorer la capacité de transmission des fibres optiques pour les futures applications de transfert de données bénéficiant d'une plus grande utilisation de l'espace limité, par rapport à de multiples fibres monomodes 3. Dans la biophotonique, les échantillons biologiques sont manipulés par transmission de la lumière à travers un endoscope MMF 4. Par exemple, le contrôle optique indépendant de neurones individuels en utilisant endoscopes MMF est intéressant pour optogénétique afin d'étudier les réseaux neuronaux dans le cerveau 5. Cependant, la lumière projetée sur la facette d'entrée MMF est soumise à une distorsion due au mode de mélange et de dispersion lors de la propagation à l'output facette de la MMF. Par conséquent, la propagation de la lumière est modifiée, ce qui rend difficile la transmission du signal.
Les méthodes de mise en forme Wavefront 6, 7 sont appliquées dans la diffusion des médias en utilisant des modulateurs spatiaux de lumière (SLM) et permettent la compensation de la distorsion due à la diffusion lors de propagation de la lumière 8. Il existe des approches itératives qui optimisent la sortie en utilisant une rétroaction optique 9. Ces approches sont assez de temps à cause de la nécessité de nombreuses itérations et le degré élevé de liberté, correspondant à un grand nombre d'éléments de modulateur. Une autre approche consiste à déterminer complètement la distorsion dans le MMF décrit par sa matrice de transmission 10. Si le nombre de modes à transmettre est important, ce sera beaucoup de temps aussi bien. A l'inverse, la conjugaison de phase optique numérique (DOPC) est considéré commerapide et avantageuse ici, puisque seulement quelques points focaux doivent être générés à la facette de sortie du MMF. Des approches de conjugaison de phase a également été démontrée pour la focalisation ou de l' imagerie à travers un tissu biologique 12, 13, 14.
Jusqu'à présent, DOPC a été utilisé pour un signal temporel unique 15, 16, et a été appliqué pour la transmission de la lumière à travers un MMF 17. Une approche de DOPC pour plusieurs signaux indépendants n'a pas été accompli. Nous avons développé une méthode de DOPC améliorée fournissant la transmission indépendante de multiples signaux de lumière utilisant front d' onde individuelle de mise en forme pour chaque signal en utilisant une seule phase seulement SLM 18. Dans ce but, le SLM est segmentée en régions, une pour chaque signal à transmettre. Le montage expérimental proposé est représenté sur la figure 1Où un étalonnage est réalisé en a) avant la transmission réelle se produit en b).
Figure 1: Montage expérimental. BS = diviseur de faisceau, un dispositif à couplage de charge CCD =, OM = modulateur optique, CMOS = semi-conducteur complémentaire métal-oxyde, HWP = plaque demi-onde, L = objectif, LP = polariseur linéaire, MMF = fibre multimode, objectif OBJ = microscope, PBS = diviseur de faisceau polarisant, SLM = modulateur spatial de lumière (phase uniquement) – seuls faisceaux pertinents pour (a) l'étalonnage et (b) la transmission sont représentés S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'assemblage du dispositif expérimental (étape 1 dans le protocole) nécessite un alignement intime des composants optiques par rapport à l'autre. L'aspect le plus important est l'incidence rectangulaire des faisceaux de référence sur le SLM afin d'assurer un haut PBR.
Afin d'améliorer la configuration à plus de deux signaux transmis, séparateurs de faisceaux supplémentaires pourraient être utilisés. Comme alternative, une mise en œuvre à base de fibres s…
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).
