مقالة منهجية

انتقال إشارات متعددة من خلال الألياف البصرية عن طريق واجهة الموجة تشكيل

DOI:

10.3791/55407

⸱

مارس 20, 2017

 ,  ,  , 
1Faculty of Electrical and Computer Engineering, TU Dresden

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نعرض نقل إشارات مستقلة متعددة من خلال ألياف متعددة الأوضاع باستخدام تشكيل الجبهة الموجية باستخدام معدل ضوء مكاني واحد. من خلال تعديل جبهة الموجة لكل إشارة على حدة ، يتم إرسال بؤر منفصلة مكانيا. التطبيقات المحتملة هي نقل البيانات المتعددة في هندسة الاتصالات وتوصيل الضوء بالمنظار في الضوئيات الحيوية.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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).

figure-introduction-1
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.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تجميع الإعداد التجريبي

  1. إعداد الجانب القريب
    1. وضع وتحديد الليزر توفير شعاع الضوء موازى - أو استخدام الليزر إلى جانب الألياف البصرية مع الموازاة في وجه خروج من الألياف.
    2. وضع شعاع الخائن الاستقطاب (PBS) لتقسيم شعاع الليزر إلى مرجعية وشعاع الكائن. بدوره توجه لوحات موجة نصف (HWP) عن طريق تدوير منتجات الخشب المقطوع في دورانه جبل حتى قوة شعاع إشارة والحزم كائن (في الجانب البعيد) هي تقريبا نفس. التحقق من ذلك عن طريق وضع الشاشة في كل من المراجع وشعاع الكائن. اختيار التوجه للبرنامج تلفزيوني بحيث استقطاب شعاع إشارة يناسب ضوء المكاني المغير الحساسة الاستقطاب (حركة تحرير السودان).
    3. وضع الحزمة الخائن (BS) في شعاع إشارة إلى تقسيم شعاع إشارة إلى شعاعين. وضع جهري بصرية (OM) هذه أن هذه شعاعين القادمة من BS1 يمكن أن تمر OM1 وOM2، على التوالي.
    4. الجمع بين شعاعين يمر OM1 وOM2 في BS2 توظيف اثنين من المرايا. ضبط مقسم الأشعة والمرايا بحيث يتم فصل كل من الحزم مكانيا.
    5. بعناية محاذاة BS5 لضمان أن اتجاه حالات كل من الحزم هو عمودي على الطائرة بكسل من حركة تحرير السودان، وتجاهل BS3 وBS4 في البداية. في البداية، يتم عرض أي شيء على حركة تحرير السودان، أي أنه يتصرف مثل المرآة حتى نهاية المعايرة (طوال الخطوة 2).
    6. ضبط الموقف والمسافة بين اثنين من العدسات (L) تشكل تلسكوب كبلر من أجل الحصول على صورة حادة من الطائرة حركة تحرير السودان على الكاميرا مكمل معدن أكسيد أشباه الموصلات (CMOS). مشاهدة الاتجاه الصحيح من L1 و L2 (والجانبين مسطحة تواجه بعضها البعض) للحد من الانحرافات.
  2. إعداد الجانب القاصي
    1. استخدام BS7 لتقسيم شعاع الكائن في شعاعين والجمع بينهما في BS8 توظيف اثنين من المرايا. مرة أخرى، وضبط مقسم الأشعة وميلrrors بحيث يتم فصل كل من الحزم مكانيا.
    2. صرف كل من الحزم باستخدام BS9 لهدف لهم الهدف المجهر (الكائنات). التركيز OBJ2 على النهاية البعيدة من الألياف متعددة (MMF). تحقق التركيز من خلال مراقبة انعكاس الخلفي من MMF توظيف L3 وجهاز (CCD) وكاميرا مزدوجة الشحن.
  3. ربط الداني والقاصي الجانب
    1. Collimate بين النور وشعاع الكائن الخروج من MMF توظيف OBJ1.
    2. تقسيم شعاع الكائن باستخدام BS6، تجاهل المستقطب الخطي (LP) في البداية. الجمع بين الحزم وجوه مع كل من الحزم إشارة في BS3 وBS4 توظيف المرآة. ضبط مقسم الأشعة والمرايا بحيث يكون كل زوج من إشارة والحزم وجوه التداخل في حركة تحرير السودان، التي تتقاطع مع زاوية صغيرة (أقل من 1 درجة).
    3. تأكد من أن قوة الإشارة وشعاع الكائن متساوية تقريبا من خلال تحويل اتجاه منتجات الخشب المقطوع، وفقا إلى الخطوة 1.1.2.
    4. تحقق تدخل عattern (خارج المحور الهولوغرام) في الكاميرا CMOS وضبط زاوية تقاطع وفقا لذلك. زيادة زاوية، حتى تباعد تدخل هامش يساوي تقريبا حجم اثنين بكسل على كاميرا CMOS.
    5. ضبط اتجاه ليرة لبنانية لتتناسب مع استقطاب وجوه وشعاع إشارة من أجل الحصول على النقيض من الحد الأقصى لنمط التدخل في صورة كاميرا CMOS، بحيث تظهر صورة الكاميرا هامش متميزة.

2. معايرة النظام

  1. معايرة العلاقة بكسل بين حركة تحرير السودان والمكمل
    1. إلقاء الضوء على حركة تحرير السودان كلها باستخدام واحدة من الحزم إشارة فقط، ومنع مرجعية أخرى وكائنات الحزم.
    2. التقاط صورة من حركة تحرير السودان مع كاميرا CMOS.
    3. الحصول على إحداثيات الزاوية العلوية اليسرى من حركة تحرير السودان في صورة كاميرا CMOS، على سبيل المثال باستخدام برامج الرسومات ومؤشر الماوس على جهاز الكمبيوتر. استخدام إحداثيات بكسل هذه كنقطة المنشأبخصوص حركة تحرير السودان.
    4. إزالة جميع الكتل شعاع.
  2. معايرة مسارات إشارة
    1. منع كلا إشارة شعاع 2 وجوه شعاع 2.
    2. التقاط صورة ثلاثية الأبعاد مع كاميرا CMOS. تقييم المرحلة في صورة ثلاثية الأبعاد المسجلة باستخدام طريقة طيف الزاوي 19. حساب المرحلة مقلوب في المنطقة المقابلة لشعاع 1.
    3. إزالة كتل شعاع السابقة والآن منع كل من إشارة شعاع 1 وجوه شعاع 1.
    4. التقاط صورة ثلاثية الأبعاد مع كاميرا CMOS. قياس المرحلة في صورة ثلاثية الأبعاد المسجلة باستخدام طريقة طيف الزاوي مرة أخرى. حساب المرحلة مقلوب في المنطقة المقابلة لشعاع 2.
    5. إزالة جميع الكتل شعاع.

3. بث اشارات

  1. منع شعاع الكائن.
  2. غرزة محسوب الصور المرحلة مقلوب في المناطق المقابلة من شعاع 1 و 2 معا وعرضالصورة بأكملها في حركة تحرير السودان، وعادة ما يستخدم المنفذ رسومات الحاسوب.
  3. بدء تعديل من إشارات الإدخال 1 و 2 من تفعيل OM1 وOM2.
  4. مراقبة الإشارات الناتج 1 و 2 على كاميرا CCD.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وصفت الناتج اشارات نموذجية في الجانب البعيد من الألياف 2 مترا في الشكل 2. لاحظ أن بقعة التنسيق المطلوب (الذروة) مصحوبا نمط البقع غير مرغوب فيه (الخلفية)، والذي يرجع إلى النقص في DOPC كمسألة مبدأ. في المقابل نسبة الذروة إلى الخلفية (PBR) تبلغ 53 (فقط إشارة 1 هي 'على')، 36 (إشارة فقط 2 هو 'على') و 20 (كل الإشارات 1 و 2 هي 'على') هنا، على التوالي . يمكن زيادة PBR عندما الألياف التي تدعم عددا أكبر من وسائط: يستخدم (حاليا 1710).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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 الإعداد لأكثر من عقدين من الاشارات المرسلة، يمكن أن تستخدم مقسم الأشعة إضافية. وكبديل لذلك، فإن تنفيذ القائم على الألياف يكون أكثر إحكاما وقوية تسمح للنظام لتكون محمولة لفي التحقي...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم الاعتراف بامتنان بالدعم المالي المقدم من DFG (مؤسسة الأبحاث الألمانية ، المشروع CZ 55 / 30-1) لأجزاء من هذا العمل.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
معدل الضوء المكانيHoloeyePLUTO-VIS-016
CMOS كاميراMikrotronMC4082
ليزر الحالة الصلبة بضخ الصمام الثنائيليزر الكمtorus 532
كاميرا CCDIDSU3-3482LE-M CMOSCAM. مناسبة وكذلك
عدسة 1QioptiqG063204000
عدسة 2عدسة QioptiqG063203000
3ThorlabsAC508-180-A-ML
الألياف متعددة الأوضاعThorlabsM14L02
شعاع مقسماتThorlabsBS0139x
مقسمات شعاع الاستقطابThorlabsPBS251
مراياThorlabsPF10-03-P015x
أهداف المجهرThorlabsRMS20X2x
لوحات نصف موجةThorlabsWPH10M-5322x
المستقطب الخطيThorlabsLPVISB050-MP2
المعدلات البصريةThorlabsMC2000B-EC2x
المرحلة الخطية والدورانية لكاميرا CMOSموصل الألياف ThorlabsXYR1 / M
ThorlabsS120-SMA2x
حلقة التخفيض لأهداف المجهرQioptiqG0616210002x
xy للمحولات الموضوعيةQioptiqG0610250002x
z جبل الترجمة لمحول الأليافThorlabsSM1Z2x
لمحاذاة الألياف للأهدافQioptiqG0612100008x
للعدسات 1 و 2 بالإضافة إلى اثنين من حوامل فانتومQioptiqG061047000
ناقلات سكة حديدية 4x ليتصاعد الهدف والعدسةQioptiqG0613720006x
لحاملات السكك الحديديةمحول QioptiqG0613590002x
لكاميرا CCD إلى محولداخلي
لليزر إلى 4 أعمدةحامل داخلي
للعدسة 3ThorlabsLMR2 / M
يتصاعد لألواح نصف الموجةThorlabsRSP1D / M2
حوامل للمرايا حاملThorlabsKM1005x
للمستقطب الخطيThorlabsRSP05 / M
لمقسمات الشعاع وأذرع التثبيتSLM ThorlabsKM100PM / M11x
لمقسمات الشعاع و SLMThorlabsPM4 / M11x
أعمدة للحوامل وناقلات السكك الحديدية والمحولات حامليThorlabsTR75 / M29x
للمشاركاتThorlabsPH50 / M29x
الركائز لحامليThorlabsBE1 / M29x
لقط الركائزThorlabsCF12529x
تعديل قضبان حوامل سكة واحد حوامل شوكات

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Richardson, D. J., Fini, J. M., Nelson, L. E. Space-division multiplexing in optical fibres. Nat. Photonics. 7 (5), 354-362 (2013).
  2. 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).
  3. Winzer, P. J. Scaling optical fiber networks: Challenges and solutions. Opt. Photonics News. 26 (3), 28-35 (2015).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Philipp, K., et al. Volumetric HiLo microscopy employing an electrically tunable lens. Opt. Express. 24 (13), 15029-15041 (2016).
  7. 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).
  8. Vellekoop, I. M. Feedback-based wavefront shaping. Opt. Express. 23 (9), 12189-12206 (2015).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Cižmár, T., Dholakia, K. Exploiting multimode waveguides for pure fibre-based imaging. Nat. Commun. 3, 1027(2012).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Hillman, T. R., et al. Digital optical phase conjugation for delivering two-dimensional images through turbid media. Sci. Rep. 3, UK. (2013).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Kim, M. K. Principles and techniques of digital holographic microscopy. SPIE Rev. 1 (1), 01800501-01800550 (2010).
  20. Gu, R. Y., Mahalati, R. N., Kahn, J. M. Design of flexible multi-mode fiber endoscope. Opt. Express. 23 (21), 26905-26918 (2015).
  21. Katz, O., Small, E., Bromberg, Y., Silberberg, Y. Focusing and compression of ultrashort pulses through scattering media. Nat. Photonics. 5 (6), 372-377 (2011).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

CCD

مقالات ذات صلة