Transmissão de múltiplos sinais através de uma fibra óptica Usando 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
A transmissão de sinais ópticos múltiplos independentes, através de uma fibra multimodo é realizado utilizando moldagem de frente de onda, a fim de compensar a distorção durante a propagação da luz no interior da fibra. Nossa metodologia é baseada na conjugação de fase digital óptico empregando apenas um único modulador de luz espacial, onde a frente de onda óptico é modulado individualmente em diferentes regiões do modulador, uma região por sinal luminoso. abordagens de conjugação de fase óptica digitais são considerados para ser mais rápido do que outras abordagens de frente de onda moldar, onde (por exemplo) é realizada uma determinação completa do comportamento de propagação da onda da fibra. Em contraste, a abordagem apresentada é rápida e eficiente uma vez que requer apenas uma calibração por cada sinal de luz. O método proposto é potencialmente adequado para a multiplexação por divisão espacial em engenharia de comunicações. Outros campos de aplicação são a entrega de luz endoscópica em biophotonics, especialmente em optogenetics, onde as células individuais no tecido biológico tem que ser iluminada seletivamente com alta resolução espacial e temporal.
Introduction
A transmissão de sinais múltiplos de luz através de uma fibra multimodo (MMF) é evidente em comunicação de engenharia 1 e 2 biofotónica. Na engenharia de comunicações, acredita-se que a multiplexação por divisão de espaço (SDM) como uma solução viável para melhorar a capacidade de transmissão de fibras ópticas para aplicações de transferência de dados futuras que beneficiam de uma maior utilização do espaço limitado, em comparação com várias fibras monomodo 3. Em biophotonics, amostras biológicas são manipulados pela transmissão da luz através de um endoscópio MMF 4. Por exemplo, o dispositivo de controlo óptico independente de neurónios individuais usando endoscópios MMF é de interesse para Optogenetics, a fim de estudar as redes neuronais no cérebro 5. No entanto, a luz projetada sobre a faceta de entrada MMF está sujeito a distorção devido à mistura de modo e dispersão durante a propagação para o Output faceta do MMF. Como resultado, a propagação da luz é alterada, o que torna a transmissão de sinal desafiador.
Wavefront moldar métodos 6, 7 são aplicados na dispersão mídia usando moduladores de luz espacial (SLM) e permitir a compensação para a distorção devido à dispersão durante a propagação da luz 8. Existem abordagens iterativos que otimizam a saída usando uma realimentação óptica 9. Estas abordagens são bastante demorado devido à necessidade de numerosas iterações e o elevado grau de liberdade, correspondendo a um grande número de elementos de modulador. Outra abordagem é para determinar completamente a distorção dentro do MMF descrito por sua matriz de transmissão 10. Se o número de modos a serem transmitidos é grande, este irá ser demorado bem. Em contraste, a conjugação de fase digital óptico (DOPC) é considerado como sendorápido e vantajoso aqui, uma vez que apenas alguns pontos focais têm que ser gerado no faceta do MMF saída. Abordagens conjugação de fase também foram demonstradas para a focagem de imagem ou através do tecido biológico 12, 13, 14.
Até agora, DOPC foi empregue para um único sinal de tempo de apenas 15, 16, e foi aplicada para a transmissão de luz através de um MMF 17. Uma abordagem DOPC para vários sinais independentes não foi realizado. Desenvolvemos um método de DOPC melhorada proporcionando o transporte independente de sinais de luz múltiplas utilizando frente de onda individuais que constituem para cada sinal que emprega uma única fase apenas SLM 18. Para este objectivo, o SLM é segmentado em regiões, um para cada sinal a ser transmitido. A configuração experimental proposto é mostrado na Figura 1, Onde uma calibração é realizado em a), antes da transmissão efectiva acontece em b).
Figura 1: Instalação experimental. BS = divisor de feixe, CCD = charge-coupled device, OM = modulador óptico, CMOS = complementar semicondutor de óxido de metal, HWP = meia placa onda, L = lente, LP = polarizador linear, MMF = fibra multimodo, objetiva obj = microscópio, PBS = polarização divisor de feixe, SLM = modulador de luz espacial (fase única) – apenas vigas relevantes para (a) a calibração e (b) a transmissão são representados por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Protocol
Representative Results
Discussion
A montagem do dispositivo experimental (passo 1 no protocolo) requer um alinhamento completa dos componentes ópticos em relação uns aos outros. O aspecto mais importante é a incidência rectangular dos feixes de referência para o SLM, a fim de assegurar um elevado PBR.
A fim de aumentar a configuração de mais de dois sinais transmitidos, pode ser utilizado divisores de feixe adicionais. Como uma alternativa, uma aplicação à base de fibras seria mais compacta e robusta permitindo qu…
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 |
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