利用波前整形通过光纤传输多个信号

摘要

我们展示了利用单个空间光调制器进行波前整形，通过多模光纤传输多个独立信号的方法。通过分别调制每个信号的波前，可实现空间分离焦点的传输。该技术的潜在应用包括通信工程中的多路复用数据传输以及生物光子学中的内窥镜光传输。

摘要

利用波前整形技术补偿光在多模光纤中传播时产生的畸变，可实现多个独立光学信号通过单根多模光纤的传输。本方法基于数字光学相位共轭技术，仅使用一个空间光调制器，其中不同区域分别独立调制不同的光信号，每个信号对应调制器上的一个特定区域。与其他波前整形方法（例如需完整测定光纤中光传播特性的方法）相比，数字光学相位共轭技术通常具有更快的处理速度。而本文所述方法在时间效率上更具优势，因为它对每个光信号仅需进行一次校准。该方法在通信工程中的空间分复用领域具有潜在应用价值。此外，在生物光子学中的内窥成像光传输领域，尤其是需要以高空间和时间分辨率对生物组织中的单个细胞进行选择性照明的光遗传学应用中，也具有广泛前景。

引言

多模光纤（MMF）中多个光信号的传输在通信工程¹和生物光子学²中均有体现。在通信工程领域，空分复用（SDM）被认为是一种可行的解决方案，可通过更高效地利用有限空间来提升光纤的传输容量，相较于使用多根单模光纤，更适用于未来的数据传输应用³。在生物光子学中，可通过多模光纤内窥镜传输光来操控生物样本⁴。例如，利用多模光纤内窥镜实现对单个神经元的独立光学控制，在光遗传学中具有重要意义，可用于研究大脑中的神经网络⁵。然而，投射到多模光纤输入端面的光在传播至输出端面的过程中，会因模式混合和色散而发生畸变。其结果是光传播特性被改变，从而增加了信号传输的难度。

波前整形方法^6,7 利用空间光调制器（SLM）在散射介质中应用，能够补偿光传播过程中因散射引起的畸变⁸。存在一些基于光学反馈进行输出优化的迭代方法⁹。由于需要大量迭代以及高自由度（对应于大量调制器单元），这些方法通常较为耗时。另一种方法是通过多模光纤的传输矩阵完全确定其内部畸变¹⁰。当需要传输的模式数量较大时，该方法同样耗时。相比之下，数字光学相位共轭（DOPC）被认为在此场景下具有快速且优越的优势，因为只需在多模光纤输出端面生成少量焦点。相位共轭方法也已成功应用于透过生物组织的聚焦或成像^12,13,14。

迄今为止，DOPC仅被用于单一时间信号的传输^15,16，并应用于通过多模光纤（MMF）传输光信号¹⁷。针对多个独立信号的DOPC方法尚未实现。我们开发了一种增强型DOPC方法，利用单个仅相位调制的空间光调制器（SLM），通过为每个信号独立进行波前整形，实现多个光信号的独立传输¹⁸。为此，将SLM划分为多个区域，每个区域对应一个待传输信号。所提出的实验装置如图1所示，其中在b）进行实际传输之前，首先在a）中完成校准。

图 1：实验装置。 BS = 分束器，CCD = 电荷耦合器件，OM = 光学调制器，CMOS = 互补金属氧化物半导体，HWP = 半波片，L = 透镜，LP = 线性偏振器，MMF = 多模光纤，OBJ = 显微物镜，PBS = 偏振分束器，SLM = 空间光调制器（仅相位型）——图中仅显示了与（a）校准和（b）透射相关的光路 请点击此处查看该图的放大版本。

方案

1. 组装实验装置

1. 准备近端光路
   1. 放置并固定提供准直光束的激光器——或者使用在光纤出射端面带有准直光学元件的光纤耦合激光器。
   2. 放置偏振分束器（PBS），将激光束分为参考光束和物光束。通过旋转半波片（HWP）支架上的半波片来调节其取向，使参考光束和物光束（在远端）的功率大致相等。通过在参考光束和物光束中分别插入屏幕来检查光强是否均衡。调整PBS的方向，使参考光束的偏振方向与偏振敏感的空间光调制器（SLM）匹配。
   3. 在参考光路中插入一个分束器（BS），将参考光束分成两束。放置光学调制器（OM），使来自BS1的两束光分别通过OM1和OM2。
   4. 利用两个反射镜，在BS2处将经过OM1和OM2的两束光合并。调节分束器和反射镜，使两束光在空间上分离。
   5. 仔细调节BS5，确保两束光入射到空间光调制器（SLM）像素平面的方向垂直，初始阶段可忽略BS3和BS4。此时SLM上尚未显示任何图案，i.e.，在完成校准前（即第2步结束前），SLM仅起到镜面作用。
   6. 调节构成开普勒望远镜的两个透镜（L）的位置和间距，以在互补金属氧化物半导体（CMOS）相机上获得清晰的SLM平面像。注意L1和L2的正确朝向（平面相对），以最小化像差。
2. 准备远端光路
   1. 使用BS7将物光束分成两束，并通过两个反射镜在BS8处重新合并。再次调节分束器和反射镜，使两束光在空间上分离。
   2. 利用BS9偏转两束光，使其对准显微物镜（OBJ）。将OBJ2聚焦于多模光纤（MMF）的远端面。通过使用L3和电荷耦合器件（CCD）相机观察来自MMF的背向反射光来检查聚焦情况。
3. 连接近端与远端光路
   1. 使用OBJ1对从多模光纤（MMF）出射的物光束进行准直。
   2. 使用BS6分束物光束，初始阶段可忽略线性偏振片（LP）。通过一个反射镜，在BS3和BS4处将两束物光分别与两束参考光合并。调节分束器和反射镜，使每对参考光与物光在SLM上重叠，并以一个小角度（小于1°）相交。
   3. 根据步骤1.1.2，通过调节HWP的取向，确保参考光束与物光束的功率大致相等。
   4. 在CMOS相机上观察干涉图样（离轴全息图），并相应调节相交角度。增大该角度，直至干涉条纹间距大致等于CMOS相机上两个像素的尺寸。
   5. 调节线性偏振片（LP）的取向，使物光束与参考光束的偏振方向一致，从而在CMOS相机图像中获得最大的干涉图样对比度，使图像呈现清晰可辨的条纹。

2. 系统校准

1. 校准 SLM 与 CMOS 之间的像素对应关系
   1. 仅使用一束参考光照射整个空间光调制器，并遮挡另一束参考光和物光。
   2. 使用CMOS相机拍摄SLM的图像。
   3. 获取SLM在CMOS相机图像中左上角的坐标， 例如 使用计算机上的图形软件和鼠标光标。将这些像素坐标作为相对于空间光调制器（SLM）的原点。
   4. 移除所有光束挡块。
2. 校准信号通路
   1. 同时遮挡参考光束2和物光束2。
   2. 使用CMOS相机拍摄全息图。采用角谱法分析记录的全息图中的相位信息¹⁹. 计算光束1相应区域的倒相位。
   3. 移除之前的光束挡块，现在同时遮挡参考光束1和物光束1。
   4. 使用CMOS相机拍摄全息图图像。再次利用角谱法测量记录的全息图中的相位。计算光束2对应区域的反相相位。
   5. 移除所有挡光块。

3. 信号的传递

1. 遮挡物光束。
2. 将计算得到的相位反转图像在光束1和光束2对应的区域进行拼接，并通过计算机图形端口将其完整图像显示在空间光调制器（SLM）上。
3. 通过激活OM1和OM2，开始对输入信号1和信号2进行调制。
4. 在CCD相机上观察输出信号1和信号2。

结果

在2米长光纤远端测得的典型输出信号如图2所示。需要注意的是，期望的聚焦光斑（峰值）伴随有不期望的散斑图案（背景），这是由于DOPC在原理上存在固有缺陷所致。相应的峰值与背景比（PBR）分别为53（仅信号1开启）、36（仅信号2开启）和20（信号1与信号2同时开启）。当使用支持更多导模数量（目前为1710）的光纤时，PBR可进一步提高。

由于PBR有限，输出信号之间会产生串扰，如图3所示。两个频率分别为f1和f2的周期性信号之间的串扰为-24 dB（从信号2到信号1）和-29 dB（从信号1到信号2）。

讨论

组装实验装置（方案中的步骤1）需要对光学元件进行彼此之间的精确对准。最重要的方面是参考光束以矩形入射角照射到空间光调制器（SLM）上，以确保获得高的衍射效率（PBR）。

为了增强系统以支持两个以上传输信号，可使用额外的分束器。另一种替代方案是采用基于光纤的实现方式，其结构更紧凑、更稳定，可使系统具备便携性 原位 生物光子学研究。如果仅能实现单侧接触，则采用基于模型的校准方案²⁰ 需要在未来的步骤中完成。传输的信号越多，所需的模式数量就越多，因此在空间光调制器（SLM）和CMOS相机上需要参与的像素也越多，以实现PBR。此外，像素数量应大于或等于模式数量。同时，SLM的像素尺寸应为近端散斑最小直径的两倍。进一步建议SLM的位深度至少为4 bit。CMOS相机的像素数量应超过SLM的像素数量。然而，除CMOS相机外，也可采用其他类型的探测器。 例如 CCD。对于标记为CCD的相机同样适用。

该方法的一个局限性在于，光源需要具有较长的相干长度（较低的...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
空间光调制器	Holoeye	PLUTO-VIS-016
CMOS 相机	Mikrotron	MC4082
二极管泵浦固体激光器	Laser Quantum	torus 532
CCD 相机	IDS	U3-3482LE-M CMOS	相机；同样适用
透镜 1	Qioptiq	G063204000
透镜 2	Qioptiq	G063203000
透镜 3	Thorlabs	AC508-180-A-ML
多模光纤	Thorlabs	M14L02
分束镜	Thorlabs	BS013	9个
偏振分束镜	Thorlabs	PBS251
反射镜	Thorlabs	PF10-03-P01	5个
显微物镜	Thorlabs	RMS20X	2个
半波片	Thorlabs	WPH10M-532	2个
线性偏振器	Thorlabs	LPVISB050-MP2
光学调制器	Thorlabs	MC2000B-EC	2个
CMOS 相机用线性及旋转平台	Thorlabs	XYR1/M
光纤连接器	Thorlabs	S120-SMA	2个
显微物镜用减径环	Qioptiq	G061621000	2个
物镜适配器用 XY 调节装置	Qioptiq	G061025000	2个
光纤适配器用 Z 向平移架	Thorlabs	SM1Z	2个
用于光纤与物镜对准的杆	Qioptiq	G061210000	8个
透镜 1 和 2 以及两个假体安装座的支架	Qioptiq	G061047000	4个
物镜和透镜支架用导轨滑块	Qioptiq	G061372000	6个
导轨滑块用导轨	Qioptiq	G061359000	2个
CCD 相机至单柱适配器			自制
激光器至四柱适配器			自制
透镜 3 支架	Thorlabs	LMR2/M
半波片支架	Thorlabs	RSP1D/M	2个
反射镜支架	Thorlabs	KM100	5个
线性偏振器支架	Thorlabs	RSP05/M
分束镜和空间光调制器支架	Thorlabs	KM100PM/M	11个
分束镜和空间光调制器用夹紧臂	Thorlabs	PM4/M	11个
支架、导轨滑块和适配器用立柱	Thorlabs	TR75/M	29个
立柱用支架	Thorlabs	PH50/M	29个
支架用底座	Thorlabs	BE1/M	29个
底座用夹紧叉	Thorlabs	CF125	29个