ウェーブフロントシェイピングを用いた光ファイバを介して複数の信号の伝送

この手順の全体的な目標は、空間的に分離された複数の個別の光信号を 1 つのマルチモード ファイバーを介して伝送すると同時に、ファイバー内のモード変換によって光の歪みを補正することです。この新しい技術は、複数の生体細胞を介して生物医学および通信工学における重要な質問に答えるのに役立ちます。または、データ信号チャネルを個別に出力する必要があります。空間的時間的光変調を可能にするこの手法の主な利点は、複数の独立した信号の較正と送信の両方に必要な空間光変調器が1つだけであることです。

この技術の意味するところは、非侵襲的研究や前向き治療、パーキンソン病のような神経学的機能障害にまで及びます。一方、ニューロンの監視と制御は、空間的な時間的光信号の使用との組み合わせです。一般に、この方法に不慣れな個人は、高品質の伝送に避けられない光パスのアライメントに多大な労力がかかるため、苦労します。

実験は光学ベンチで行われます。光学素子はすでに配置されています。一部の要素はキャリブレーションにのみ使用されます。

この空間光変調器は、セットアップの近位側でのデータ信号伝送に使用される要素の1つです。このCCDカメラは、遠位側のデータ信号受信機です。データ信号は、両側を接続するこのマルチモード光ファイバーを通って移動します。

この概略図は、装置の概要を提供し、近位および遠位の要素を識別します。レーザーは、偏光ビームスプリッターによって分割されるコリメートされたコヒーレント光ビームを提供します。半波長板を使用して、2つのビームをほぼ等しい出力に保ちます。

物体ビームは遠位側に行きます。ここでは、近位側に向かう参照ビームに注目します。参照ビームを2つに分割し、各ビームが光変調器を通過するようにします。

次に、2 つのビームが空間的に分離されて同じパスをたどるようにします。キャリブレーション中、ビームは、マルチモードファイバー、顕微鏡対物レンズ、および直線偏光子を通過する遠位側からの光によって重ね合わせられ、最終的に干渉します。最後のビームスプリッターは、2つのビームを垂直に特殊な光変調器に向けます。

実験の準備にあたっては、参照ビームの偏光が偏光感受性空間光変調器と揃うように、偏光ビームスプリッターの向きを必ず設定してください。キャリブレーションのために、2つのビームはCMOSカメラに焦点を合わせたレンズも通過します。今のところ、特殊な調光器には何も表示されていませんのでご注意ください。

したがって、モジュレーターはキャリブレーション中に鏡のように機能します。ベンチの2つのレンズで作業します。それらの位置とそれらの間の距離を調整します。

目標は、CMOSカメラで特殊な光変調面の鮮明な画像を取得することです。次に、キャリブレーションのためにセットアップの遠位側に焦点を当てます。物体ビームは、ビームスプリッターとミラーによって空間的に分離された2つのビームに変換されます。

別のビームスプリッターは、ビームを顕微鏡の対物レンズに導き、そこからCCDカメラに焦点を合わせたレンズに導きます。ベンチでは、顕微鏡の対物レンズをマルチモードファイバーの遠位端に焦点を合わせます。レンズとCCDカメラでピントを確認し、マルチモードファイバーからの光の後方反射を観察します。

近位側の対物レンズも使用します。これを使用して、マルチモードファイバーから出る光をコリメートします。次に、CMOSカメラで干渉パターンを表示し、干渉フリンジの間隔を変更する作業を行います。

これは、基準ビームとオブジェクトビームのミラーとビームスプリッターを調整することによって行われます。これにより、オブジェクトと参照ビームが空間光変調器で交差する角度が変わり、1 度未満である必要があります。干渉縞の間隔がおおよそ 2 ピクセルのサイズになったら停止します。

最後に、直線偏光子を操作し、オブジェクトと参照ビームの偏光に一致するようにその向きを調整します。これにより、CMOSカメラの画像に最大のコントラストが生成され、はっきりとしたフリンジが表示されます。最初のキャリブレーションシーケンスでは、空間光変調器とCMOSカメラの間のピクセル関係を見つけます。

偏光ビームスプリッターの直後の物体ビームから始めます。半波長板と次のビームスプリッターの間で物体ビームをブロックします。次に、2つの参照ビームのうちの1つを、光変調器を通過した直後に操作します。

そのうちの 1 つだけをブロックして、空間光変調器がもう 1 つに照らされるようにします。CMOSカメラで空間光変調器の画像をキャプチャします。グラフィックソフトウェアを使用して、空間光変調器の原点として機能する変調器の左上隅の座標を特定します。

完了したら、両方のビームブロックを削除して、空間光変調器とCMOSカメラの間のピクセル関係の検索を完了します。次のキャリブレーションシーケンスは、信号パス用です。この時点で、これらはビームパスです。

最初のステップは、オブジェクトのビーム 2 をその経路内の 2 つのビーム スプリッターの直後にブロックすることです。そして、光変調器の2つ後に基準ビームをブロックします。次に、CMOSカメラを使用してホログラムの画像をキャプチャします。

これから、ビームの領域1の逆位相を計算します。梁からブロックを取り外して続行します。次に、オブジェクトビーム1と参照ビーム1をブロックします。

カメラでキャプチャされたホログラムから、ビームの領域 2 の逆位相を計算します。続行する前に、必ずすべてのビームブロックを削除してください。透過実験のセットアップは簡単です。

信号伝送はCMOSカメラを必要とせず、物体ビームが遮断されます。これで、2 つの基準ビームが空間光変調器の 2 つの領域から反射されます。そこから、反射ビームはマルチモードファイバーを通過してCCDカメラに送られます。

コンピュータで、空間光変調器の画像を準備します。画像には、領域 1 と 2 の逆位相画像を対応する位置に配置します。次に、これらの画像をつなぎ合わせて、コンピューターグラフィックスポートを使用して空間光変調器に表示します。

ベンチで実験の最終準備をします。基準ビームは、光強度変調器を通過します。両方の基準ビームでこれらをアクティブにして続行します。

パソコンでCCDカメラからの出力信号を観察・記録します。これらは、信号が2メートルの長さのファイバーを通過した後、遠位側のカメラによって記録された典型的な結果です。画像は、1つがオンになっていることのみに対応しています。

2がオンになっていることを通知するだけです。そして、両方の信号がオンになっています。各画像で目的のピークに加えて、デジタル光学位相共役の制限によるスペックルがあります。

ピークとバックグラウンドの比率は、より多くのモードをサポートするファイバーを使用することで向上させることができます。2つの周期的な出力信号の間にはクロストークがあります。信号 1 の周波数スペクトルは、周波数 f1 で予想されるピークと、周波数 f2 で小さいピークを示しています。

同様に、信号 2 の周波数スペクトルには、f2 に予想されるピークと f1 に小さいピークがあります。この手順を試行する際には、デジタル光学位相共役が機能するように、空間光変調器とCMOSカメラを慎重にメッシュすることが重要です。この手順を強化するために、モデルベースのキャリブレーション技術を適用して、ファイバーの遠位端にアクセスせずに伝送を行うことができます。

このビデオを見れば、マルチモードファイバーを介して独立した信号を伝送するために個々の波形整形を適用する方法を十分に理解できるはずです。この新しい技術は、開発後、光遺伝学の研究者がモデル生物だけでなく、ヒト人工多能性幹細胞由来ニューロンや心筋細胞の神経変性疾患を探求する道を開くことになります。