מאמר שיטה

העברת אותות מרובים דרך סיב אופטי באמצעות Wavefront לעיצוב

DOI:

10.3791/55407

⸱

20 במרץ 2017

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

במאמר זה

סיכום

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

אנו מדגימים שידור של אותות עצמאיים מרובים דרך סיב רב-מצבי באמצעות עיצוב חזית גל תוך שימוש במודולטור אור מרחבי יחיד. על ידי אפנון חזית הגל עבור כל אות בנפרד, מועברים מוקדים מופרדים מרחבית. יישומים פוטנציאליים הם העברת נתונים מרובה בהנדסת תקשורת והעברת אור אנדוסקופית בביופוטוניקה.

תקציר

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

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.

מבוא

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

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).

figure-introduction-1
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.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. רכבת ההתקנה הניסיונית

  1. הכנתי בצד הפרוקסימלי
    1. מניחים ולתקן את לייזר מתן קרן קרני אור מקבילות - או להשתמש בלייזר בשילוב סיבים עם אופטיקה collimation על היבט היציאה של סיבים.
    2. שים ספליטר הקורה מקטב (PBS) לפצל את קרן הלייזר לתוך הפניה ו קרן האובייקט. סובבו את הכיוון של צלחות גל חצי (HWP) על ידי החלפה של HWP ברוטציה שלה הר עד כוח של קרן הייחוס קרן האובייקט (בצד הדיסטלית) הוא בערך אותו הדבר. בדוק זאת על ידי הצבת מסך לשני התייחסות קרן האובייקט. בחר את הכיוון של PBS כך הקיטוב של קרן ההתייחסות מתאים מאפנן אור מרחבי רגיש קיטוב (SLM).
    3. שים מפצל קרן (BS) לתוך קרן ההתייחסות לפצל את קורה ההתייחסות לשתי קורות. מניחים את מאפננים אופטיים (OM) כגון ששני אלה קורות המגיעים BS1 יכול לעבור OM1 ו OM2, בהתאמה.
    4. מערבבים את שתי אלומות עובר OM1 ו OM2 ב BS2 העסקת שתי מראות. התאם את מפצלי הקרן ומראה כך קורות שניהם מופרדים מרחבית.
    5. בזהירות ליישר BS5 כדי להבטיח שהכיוון של שכיחות הן קורות הוא בניצב למישור פיקסל של SLM, התעלמות BS3 ו BS4 בהתחלה. בהתחלה, לא מוצג דבר על SLM, כלומר, היא פועלת כמו מראה עד סוף הכיול (בכל שלב 2).
    6. להתאים את המיקום ואת המרחק בין שתי עדשות (L) המהווים טלסקופ קפלרי על מנת לקבל תמונה חדה של מטוס SLM על metal-oxide semiconductor משלימה המצלמה (CMOS). צפה הכיוון הנכון של L1 ו- L2 (צדדים שטוחים הם פונים זה לזה) כדי למזער סטיות.
  2. הכנתי בצד הדיסטלי
    1. השתמש BS7 לפצל את קרן האובייקט לשתי קורות ולשלב אותם BS8 העסיק שתי מראות. שוב, להתאים את מפצלי קרן ותערובותrrors כך קורות שניהם מופרדים מרחבית.
    2. להסיט הוא קורה באמצעות BS9 לכוון אותם אל מטרת מיקרוסקופ (OBJ). פוקוס OBJ2 על הקצה הדיסטלי של סיבי multimode (MMF). בדוק את המיקוד על ידי התבוננות בהשתקפות בחזרה מן MMF העסקת L3 ומצלמה תשלום מצמידים מכשיר (CCD).
  3. הפרוקסימלי חיבור בצד הדיסטלי
    1. Collimate האור מן הקורה אובייקט היציאה OBJ1 העסקת MMF.
    2. פיצול קרן אובייקט באמצעות BS6, להתעלם מקטב ליניארי (LP) בהתחלה. שלב שני קורות האובייקט בשתי קורות ההתייחסות ב BS3 ו BS4 העסיק במראה. התאם את מפצלי הקרן ומראה כך שכל זוג של התייחסות חפיפת קרן עצם כלשהו על SLM, מצטלב עם זווית קטנה (פחות מ -1 °).
    3. ודאו שאספקת המתח של ההפניה ואת קרן האובייקט הם שווה בערך ידי סיבוב האוריינטציה של HWP, בהתאם לשלב 1.1.2.
    4. בדוק את ההפרעה pattern (מחוץ ציר הולוגרמה) אל מצלמת CMOS ולהתאים את זווית החיתוך בהתאם. הגדל את הזווית, עד ריווח שולי הפרעה בערך שווה לגודל של שני פיקסלים על מצלמת CMOS.
    5. לשנות את הכיוון של LP כדי להתאים את הקיטוב של אובייקט קרן התייחסות על מנת לקבל ניגוד מרבי של תבנית ההתאבכות בתמונת מצלמת CMOS, כך שתמונת המצלמה מראה בשולים ברורים.

2. כיול המערכת

  1. כיול ביחס פיקסל בין SLM ו- CMOS
    1. להאיר את כולו SLM להשתמש רק באחת קורה ההתייחסות ולחסום את ההתייחסות האחרת ואובייקטים קורים.
    2. צילום תמונה של SLM עם מצלמת CMOS.
    3. קבלת הקואורדינטות של בפינה השמאלית העליונה של SLM בתמונת מצלמת CMOS, למשל באמצעות תוכנת גרפיקת סמן העכבר על המחשב. השתמש קואורדינטות פיקסל אלה כנקודת המוצאלגבי SLM.
    4. הסר את כל קוביות הקורה.
  2. כיול אות הנתיבים
    1. חסום הן קרן התייחסות קרן 2 ואובייקט 2.
    2. צילום תמונה של ההולוגרמה עם מצלמת CMOS. להעריך בשלב ב בהולוגרמה רשמה בשיטת ספקטרום זוויתי 19. לחשב את השלב הפוך באזור המקביל קורה 1.
    3. הסר את קוביות קרן לשעבר ועכשיו לחסום את שתי קורות התייחסות קרן 1 ואובייקט 1.
    4. צילום תמונה של ההולוגרמה עם מצלמת CMOS. מדוד את השלב ב בהולוגרמה רשמה בשיטת ספקטרום זוויתי שוב. לחשב את השלב הפוך על האזור המקביל קרן 2.
    5. הסר את כל קוביות הקורה.

3. שידור האותות

  1. חסום את קרן האובייקט.
  2. לתפור את התמונות בשלב הפוכות מחושבות לפי האזורים המקבילים של קרן 1 ו -2 יחד ולהציג אתהתמונה כולה על SLM, בדרך כלל באמצעות יציאת גרפיקה ממוחשבת.
  3. הפעל את האפנון של אותות קלט 1 ו -2 על ידי הפעלת OM1 ו OM2.
  4. שימו לב אותות הפלט 1 ו -2 על מצלמת CCD.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

אותות פלט אופייניים בצד הדיסטלי של הסיבים הארוכים 2 מ 'מתוארים באיור 2. ראוי לציין, כי במקום מוקד הרצוי (שיא) מלווה דפוס רבב רצוי (ברקע), אשר בשל חוסר שלמות של dOPC כעניין של עיקרון. יחס שיא-רקע המקביל (PBR) מסתכם 53 (רק האות 1 הוא 'על'), 36 (רק האות 2 'מופעלת') ו -20 (שני אותות 1 ו -2 'מופעלת') כאן, בהתאמה . PBR יכול להתארך כאשר סיב התומך במספר רב יותר של מצבים (כיום: 1710) משמש.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

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 נוספים יכולים לשמש. כחלופה, יישום מבוסס סיבים יהיה יותר קומפקטי וחזק המאפשרים למערכת להיות ניידת בחקירות באתרו Biophotonics. אם גישה אחת בצד אפשרית רק, פתרונות כיול מבוסס מודל...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

התמיכה הכספית של DFG (קרן המחקר הגרמנית, פרויקט CZ 55/30-1) לחלקים מעבודה זו זוכה להכרת תודה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מודולטור אור מרחביHoloeyePLUTO-VIS-016
מצלמת CMOSMikrotronMC4082
לייזר מצב מוצק משואבדיודה לייזר טורוס קוונטי532
CCD מצלמהIDSU3-3482LE-Mמצלמת CMOS; מתאים גם
עדשה 1עדשת QioptiqG063204000
2עדשת G063203000
3ThorlabsAC508-180-A-ML
סיבים מולטי-מודיםThorlabsM14L02
מפצלי קרןThorlabsBS0139x
מפצלי קרן מקטביםThorlabsPBS251
מראותThorlabsPF10-03-P015x
מטרות מיקרוסקופThorlabsRMS20X2x
לוחות חצי גלThorlabsWPH10M-5322x
מקטב ליניאריThorlabsLPVISB050-MP2
מודולטורים אופטייםThorlabsMC2000B-EC2x
שלב ליניארי וסיבוב למצלמת CMOSמחבר סיבים ThorlabsXYR1/M
ThorlabsS120-SMAפי 2
טבעת הפחתת למטרות מיקרוסקופQioptiqG061621000התאמת xy 2x
למתאמי אובייקטיביותQioptiqG061025000
תושבת תרגום z 2x למתאם סיביםThorlabsSM1Zמוטות 2x
ליישור סיבים למטרותQioptiqG061210000תושבות 8x
לעדשות 1 ו-2 בתוספת שתי תושבות פנטוםQioptiqG0610470004x
נושאי מסילה עבור אובייקט ועדשה תושבותQioptiqG0613720006x
מסילה עבור נושאי מסילהQioptiqG0613590002x
מתאם עבור מצלמת CCD ל 1 פוסטמתאם פנימי
עבור לייזר ל 4 עמודיםתושבת בבית
לעדשה 3ThorlabsLMR2 / M
תושבות ללוחות חצי גלThorlabsRSP1D/M2
תושבות למראותThorlabsKM100תושבת 5x
עבור מקטב ליניאריThorlabsתושבות RSP05/M
עבור מפצלי קורות ו-SLMThorlabsKM100PM/M11x
זרועות הידוק עבור מפצלי קורות ו-SLMThorlabsPM4/M11x
עמודים לתושבות, מנשאי מסילות ומתאמיםThorlabsTR75/M29x
מחזיקים לעמודיםThorlabsPH50/M29x
כנים למחזיקיםThorlabsBE1/M29x
מזלגות הידוק לכניםThorlabsCF12529x
Qioptiq

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

CCD

מאמרים קשורים