Name: 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 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-03-20T15:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 43 s
Description: 学ぶ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た複数信号伝送法。空間光変調器を使用し、多モードファイバー内の光歪を補正しながら、空間的に分離した複数の独立した光信号を伝送する技術です。

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この作業の一部に対するDFG(ドイツ研究財団、プロジェクトCZ 55/30-1)による財政的支援に感謝します。

1.実験のセットアップを組み立て<ol><li> 近位側の準備 <ol><li>配置し、平行光ビームを提供するレーザーを修正 - またはファイバの出射端面での視準光学系とファイバ結合レーザーを使用しています。 </li><li>参照物体ビームにレーザビームを分割する偏光ビームスプリッタ（PBS）を置きます。 （先端側）の参照光と物体光のパワーがほぼ同じになるまでマウントその回転にHWPを回転させることにより、半波長板（HWP）の方向に回します。リファレンスと物体光の両方にスクリーンを置くことによって、これを確認してください。参照ビームの偏光は、偏光に敏感な空間光変調器（SLM）に収まるようにPBSの向きを選択します。 </li><li> 2つのビームに基準ビームを分割する基準ビームにビームスプリッタ（BS）を置きます。 BS1からのこれら二つのビームはそれぞれ、OM1とOM2を渡すことができるような光変調器（OM）を配置します。&lt;/李&gt; <li>二つのミラーを採用したBS2でOM1とOM2を通過する二つのビームを結合します。両方のビームが空間的に分離されるように、ビームスプリッタとミラーを調整します。 </li><li>慎重に両ビームの入射方向が最初でBS3とBS4を無視して、SLMの画素面に垂直であることを確認するために、BS5を揃えます。最初は、何もSLM上に表示されていない、 すなわち 、それは（ステップ2を通じて）、キャリブレーションが終了するまで、ミラーのように作用します。 </li><li>位置と二つのレンズ（L）との間の距離相補型金属酸化膜半導体（CMOS）カメラでSLM面の鮮明な画像を得るためにケプラー望遠鏡を構成し調整します。 L1とL2の正しい方向を見て、収差を最小化するために（平坦な側面が互いに対向しています）。 </li></ol></li><li> 遠位側の準備 <ol><li> 2つのビームに物体光を分割し、2ミラーを採用しBS8でそれらを組み合わせることBS7を使用してください。ここでも、ビームスプリッタとマイルを調整両方のビームが空間的に分離されるようにrrors。 </li><li>顕微鏡対物レンズ（OBJ）にそれらを目指してBS9を使用して両方のビームを偏向。マルチモードファイバ（MMF）の先端にOBJ2焦点を当てます。 L3および電荷結合素子（CCD）カメラを採用したMMFからの後方反射を観察することによりピントを確認してください。 </li></ol></li><li> 接続する近位および遠位側 <ol><li> MMF採用OBJ1を出た物体光からの光を平行。 </li><li>最初は直線偏光子（LP）を無視し、BS6を使用してオブジェクトビームを分割します。 BS3とBS4の両方で参照光ミラーを採用して、両方の物体光を兼ね備えています。ビームスプリッタとミラーを調整するように小さな角度（1°未満）と交差するSLMでの基準と物体光の重なりの各ペア、。 </li><li>リファレンスのパワーと物体光は、ステップ1.1.2によると、HWPの向きを回転させることによりほぼ等しいことを確認してください。 </li><li>干渉pをチェックCMOSカメラでattern（オフアクシスホログラム）、それに応じて交差角度を調整します。干渉縞の間隔はおおよそのCMOSカメラの2つの画素の大きさに等しくなるまで、角度を大きくします。 </li><li>カメラ画像は異なる縞を示すように、CMOSカメラ画像における干渉パターンの最大のコントラストを得るためにオブジェクトと参照光の偏光に一致するようにLPの向きを調整します。 </li></ol></li></ol> 2.システムのキャリブレーション<ol><li> SLMとCMOSとの画素の関係をキャリブレーション <ol><li>参照光の一方のみを用いて全SLMを照射し、他の参照をブロックし、ビームをオブジェクト。 </li><li> CMOSカメラとSLMの画像をキャプチャします。 </li><li> 例えば PCでグラフィックソフトウェアとマウスカーソルを使用して、CMOSのカメラ画像におけるSLMの左上隅の座標を取得します。これらのピクセル座標は原点として使用しますSLMに関する。 </li><li>すべてのビームブロックを削除します。 </li></ol></li><li> 信号経路のキャリブレーション <ol><li>参照光2と物体ビーム2の両方をブロックします。 </li><li> CMOSカメラとホログラムの画像をキャプチャします。角スペクトル法19を使用して記録されたホログラムの位相を評価します。ビーム1の対応する領域での位相反転を計算します。 </li><li>ビームフォーマのブロックを削除し、現在参照ビーム1と物体光1の両方をブロックします。 </li><li> CMOSカメラとホログラムの画像をキャプチャします。再び角スペクトル法を用いて記録されたホログラムの位相を測定します。ビーム2の対応する領域で反転位相を計算します。 </li><li>すべてのビームブロックを削除します。 </li></ol></li></ol> 3.信号を送信します<ol><li>物体光をブロックします。 </li><li>一緒ビーム1,2の対応する領域で計算反転位相画像をステッチして表示SLM上の画像全体は、典型的には、コンピュータグラフィックスポートを使用します。 </li><li> OM1とOM2を活性化することによって、入力信号1及び2の変調を開始します。 </li><li> CCDカメラの出力信号1と2を観察します。 </li></ol>

<ol><li>Richardson, D. J., Fini, J. M., Nelson, L. E. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphoton/journal/v7/n5/full/nphoton.2013.94.html">Space-division multiplexing in optical fibres.</a> Nat. Photonics. 7 (5), 354-362 (2013).</li>
<li>Kreysing, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+operation+of+optical+fibres+beyond+the+single-mode+regime+facilitates+the+orientation+of+biological+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Commun%22%5BJournal%5D)">Dynamic operation of optical fibres beyond the single-mode regime facilitates the orientation of biological cells.</a> Nat. Commun. 5 (5481), 1-6 (2014).</li>
<li>Winzer, P. J. <a target="_blank" href="http://www.osa-opn.org/home/articles/volume_26/march_2015/features/scaling_optical_fiber_networks_challenges_and_solu/">Scaling optical fiber networks: Challenges and solutions.</a> Opt. Photonics News. 26 (3), 28-35 (2015).</li>
<li>Cižmár, T., Dholakia, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shaping+the+light+transmission+through+a+multimode+optical+fibre%3A+complex+transformation+analysis+and+applications+in+biophotonics%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Shaping the light transmission through a multimode optical fibre: complex transformation analysis and applications in biophotonics.</a> Opt. Express. 19 (20), 18871-18884 (2011).</li>
<li>Boyden, E. S., Zhang, F., Bamberg, E., Nagel, G., Deisseroth, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Millisecond-timescale%2C+genetically+targeted+optical+control+of+neural+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Millisecond-timescale, genetically targeted optical control of neural activity.</a> Nat. Neurosci. 8 (9), 1263-1268 (2005).</li>
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<li>Büttner, L., Leithold, C., Czarske, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interferometric+velocity+measurements+through+a+fluctuating+gas-liquid+interface+employing+adaptive+optics%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Interferometric velocity measurements through a fluctuating gas-liquid interface employing adaptive optics.</a> Opt. Express. 21 (25), 30653-30663 (2013).</li>
<li>Vellekoop, I. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Feedback-based+wavefront+shaping%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Feedback-based wavefront shaping.</a> Opt. Express. 23 (9), 12189-12206 (2015).</li>
<li>Mahalati, R. N., Askarov, D., Wilde, J. P., Kahn, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Adaptive+control+of+input+field+to+achieve+desired+output+intensity+profile+in+multimode+fiber+with+random+mode+coupling%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Adaptive control of input field to achieve desired output intensity profile in multimode fiber with random mode coupling.</a> Opt. Express. 20 (13), 14321-14337 (2012).</li>
<li>Caravaca-Aguirre, A. M., Niv, E., Conkey, D. B., Piestun, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+resilient+focusing+through+a+bending+multimode+fiber%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Real-time resilient focusing through a bending multimode fiber.</a> Opt. Express. 21 (10), 12881-12887 (2013).</li>
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<li>Yaqoob, Z., Psaltis, D., Feld, M. S., Yang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optical+phase+conjugation+for+turbidity+suppression+in+biological+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">Optical phase conjugation for turbidity suppression in biological samples.</a> Nat. Photonics. 2 (2), 110-115 (2008).</li>
<li>Ma, C., Xu, X., Liu, Y., Wang, L. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Time-reversed+adapted-perturbation+%28TRAP%29+optical+focusing+onto+dynamic+objects+inside+scattering+media%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Photonics%22%5BJournal%5D)">Time-reversed adapted-perturbation (TRAP) optical focusing onto dynamic objects inside scattering media.</a> Nat. Photonics. 8 (12), 931-936 (2014).</li>
<li>Lee, K., Lee, J., Park, J. H., Park, J. H., Park, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((One-wave+optical+phase+conjugation+mirror+by+actively+coupling+arbitrary+light+fields+into+a+single-mode+reflector%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">One-wave optical phase conjugation mirror by actively coupling arbitrary light fields into a single-mode reflector.</a> Phys. Rev. Lett. 115 (15), 153902(2015).</li>
<li>Cui, M., Yang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implementation+of+a+digital+optical+phase+conjugation+system+and+its+application+to+study+the+robustness+of+turbidity+suppression+by+phase+conjugation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Implementation of a digital optical phase conjugation system and its application to study the robustness of turbidity suppression by phase conjugation.</a> Opt. Express. 18 (4), 3444-3455 (2010).</li>
<li>Hillman, T. R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+optical+phase+conjugation+for+delivering+two-dimensional+images+through+turbid+media%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">Digital optical phase conjugation for delivering two-dimensional images through turbid media.</a> Sci. Rep. 3, UK. (2013).</li>
<li>Papadopoulos, I. N., Farahi, S., Moser, C., Psaltis, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Focusing+and+scanning+light+through+a+multimode+optical+fiber+using+digital+phase+conjugation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Focusing and scanning light through a multimode optical fiber using digital phase conjugation.</a> Opt. Express. 20 (10), 10583-10590 (2012).</li>
<li>Czarske, J. W., Haufe, D., Koukourakis, N., Büttner, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transmission+of+independent+signals+through+a+multimode+fiber+using+digital+optical+phase+conjugation%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Transmission of independent signals through a multimode fiber using digital optical phase conjugation.</a> Opt. Express. 24 (13), 15128-15136 (2016).</li>
<li>Kim, M. K. <a target="_blank" href="http://spie.org/Publications/Journal/10.1117/6.0000006">Principles and techniques of digital holographic microscopy.</a> SPIE Rev. 1 (1), 01800501-01800550 (2010).</li>
<li>Gu, R. Y., Mahalati, R. N., Kahn, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+flexible+multi-mode+fiber+endoscope%5BTitle%5D)+AND+%22Opt.+Express%22%5BJournal%5D)">Design of flexible multi-mode fiber endoscope.</a> Opt. Express. 23 (21), 26905-26918 (2015).</li>
<li>Katz, O., Small, E., Bromberg, Y., Silberberg, Y. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphoton/journal/v5/n6/full/nphoton.2011.72.html">Focusing and compression of ultrashort pulses through scattering media.</a> Nat. Photonics. 5 (6), 372-377 (2011).</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

実験（プロトコルにおけるステップ1）の組立は、互いに対する光学部品の徹底的な位置合わせを必要とします。最も重要な側面は、高PBRを確保するためにSLM上に参照光の矩形発生です。 二つ以上の送信信号の設定を高めるために、追加のビームスプリッタを使用することができます。別の方法として、光ファイバベースの実装は、よりコンパクトで、システムはバイオフォトニクスにおけるその場での調査に携帯用であることを可能にする堅牢であろう。片面のみアクセス可能である場合には、モデルベースの較正溶液20は、将来のステップのように達成される必要があります。複数の信号が送信され、複数のモードは、SLMとCMOSカメラの両方でより多くのピクセルがPBRを達成するために関与することがありますので、必要になります。また、画素数は、モードの数以上であるべきです。広告でditionは、SLMのピクセルサイズは、近位側の最小スペックル径のサイズの2倍であるべきです。さらに、SLMは、少なくとも...

マルチモードファイバ（MMF）を介して複数の光信号の伝送は、通信技術1及びバイオフォトニクス2に明らかです。通信技術において、空間分割多重（SDM）は、複数のシングルモードファイバと比較して、限られた空間の高い利用の恩恵を受け、将来のデータ転送アプリケーション用の光ファイバの伝送容量を高めるために実行可能な解決策であると考えられています3。バイオフォトニクスでは、生物学的サンプルは、MMF内視鏡4を透過する光によって操作されています。例えば、MMFの内視鏡を使用して、個々のニューロンの独立した光制御は、脳5におけるニューロンネットワークを研究するために、光遺伝学のために重要です。しかし、MMF入力ファセットに投影される光は、outpuへの伝播中に歪みによるモードの混合分散の対象となりますMMFのトンファセット。その結果、光の伝搬は、信号伝送が困難な作るれ、変更されます。 波面整形方法6は 、 図7に示すように 、空間光変調器（SLM）を使用して、散乱媒体に適用し、光による伝播8時の散乱による歪みの補償を可能にしています。光フィードバック9を使用して出力を最適化する反復アプローチがあります。これらのアプローチは、変調器要素の多くに対応するために多数の反復の必要性と高い自由度のかかるかなりの時間です。別のアプローチは、完全にその送信行列10によって記述MMF内の歪みを決定することです。送信されるモードの数が多い場合、これは、同様に時間がかかるであろう。対照的に、デジタル光位相共役（DOPC）があると考えられています迅速かつ有利ここで、ほんの数焦点がMMFの出力面で生成されなければならないからです。位相共役アプローチは、生体組織12、13、14を介して集束またはイメージングのために実証されています。 これまで、DOPCは、単一の時間信号のみ15、16のために使用し、そしてMMF 17を通る光の透過のために適用しました。複数の独立した信号のDOPCのアプローチがなされていません。我々は、単相のみのSLM 18を用いて 、各信号のために整形する個々の波面を使用して複数の光信号の独立した伝送を提供する強化されたDOPC方法を開発しました。この目的のために、SLMは各信号に対して1つを送信する、領域に分割されます。提案された実験は、 図1に示されていますキャリブレーションは、実際の送信前）に行われる場合、）（b）に発生します。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/55407/55407fig1.jpg" /> 図1：実験セットアップ。 BS =ビームスプリッタ、CCD =電荷結合素子、OM =光変調器、CMOS =相補型金属酸化膜半導体、HWP =半波長板、L =レンズ、LP =直線偏光子、MMF =マルチモードファイバ、OBJ =顕微鏡対物レンズ、 PBSは=偏光ビームスプリッタ、SLM =空間光変調器（位相のみ） - （a）のキャリブレーションおよび（b）の伝送にのみ関連ビームが描かれている<a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/55407/55407fig1large.jpg" target="_blank">。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。</a>

<table><tbody><tr><td>空間光変調器</td><td>Holoeye</td><td>PLUTO-VIS-016</td><td></td></tr><tr><td>CMOSカメラ</td><td>Mikrotron</td><td>MC4082</td><td></td></tr><tr><td>ダイオード励起固体レーザー</td><td>レーザー Quantum</td><td>torus 532</td><td></td></tr><tr><td>CCDカメラ</td><td>IDS</td><td>U3-3482LE-M CMOS</td><td>カメラ; 同様に適切な</td></tr><tr><td>レンズ 1</td><td>Qioptiq</td><td>G063204000</td><td></td></tr><tr><td>lens 2</td><td>Qioptiq</td><td>G063203000</td><td></td></tr><tr><td>レンズ 3</td><td>Thorlabs</td><td>AC508-180-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>マルチモード ファイバー</td><td>Thorlabs</td><td>M14L02</td><td></td></tr><tr><td>ビームスプリッター</td><td>Thorlabs</td><td>BS013</td><td>9x</td></tr><tr><td>偏光ビームスプリッター</td><td>Thorlabs</td><td>PBS251</td><td></td></tr><tr><td>ミラー</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td>5x</td></tr><tr><td>顕微鏡対物レンズ</td><td>Thorlabs</td><td>RMS20X</td><td>2x</td></tr><tr><td>半波長板</td><td>Thorlabs</td><td>WPH10M-532</td><td>2x</td></tr><tr><td>直線偏光子</td><td>Thorlabs</td><td>LPVISB050-MP2</td><td></td></tr><tr><td>光変調器</td><td>Thorlabs</td><td>MC2000B-EC</td><td>CMOS</td></tr><tr><td>カメラ用2xリニアおよび回転ステージ</td><td>Thorlabs</td><td>XYR1/M</td><td></td></tr><tr><td>ファイバーコネクタ</td><td>Thorlabs</td><td>S120-SMA</td><td>2倍</td></tr><tr><td>顕微鏡対物レンズ用レデューシングリング</td><td>Qioptiq</td><td>G061621000</td><td></td></tr><tr><td>対物レンズアダプター用2x xy調整</td><td>Qioptiq</td><td>G061025000</td> ファイバーアダプター用<td>2x</td></tr><tr><td>zトランスレーションマウント</td><td>Thorlabs</td><td>SM1Z</td><td></td></tr><tr><td>対物レンズへのファイバーアライメント用</td>2xロッド <td>Qioptiq</td><td>G061210000</td><td></td></tr><tr><td>レンズ1と2のファントムマウント用8xマウント Qioptiq</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>対物レンズマウント用レールキャリア</td>G061047000 4個 <td>Qioptiq</td><td>G061372000</td>レールキャリア用<td>6本</td></tr><tr><td>レール</td><td>Qioptiq</td><td>G061359000</td><td></td></tr><tr><td>CCDカメラ用アダプター2個から</td><td></td>レーザー用1ポスト<td></td><td></td>社内</tr><tr><td>アダプター、レンズ用4ポスト</td><td></td><td></td><td>社内</td></tr><tr><td>マウント</td><td>Thorlabs</td><td>LMR2/M</td><td></td> 3個</tr><tr><td>半波長板用マウント</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1D/M</td><td>ミラー用2</td></tr>マウント 直線偏光子用<tr><td></td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td>5x</td></tr>マウント ビームスプリッター用<tr><td></td><td>Thorlabs</td><td>RSP05/M</td><td></td></tr><tr><td>マウント ビームスプリッターおよびSLM</td>用<td>Thorlabs</td><td>KM100PM/M</td><td>11x</td></tr><tr><td>ビームスプリッター用クランプアーム</td><td>Thorlabs</td><td>PM4/M</td><td>11x</td></tr><tr><td>マウント、レールキャリア、アダプター用ポスト</td><td>Thorlabs</td><td>TR75/M</td><td>29x</td></tr><tr><td>ポスト用ホルダー</td><td>Thorlabs</td><td>PH50/M</td><td>ホルダー用 29x</td></tr><tr><td>台座</td><td>Thorlabs</td><td>BE1/M</td><td></td></tr><tr><td>台座用クランプフォーク</td><td>Thorlabs</td><td>CF125</td><td>29x</td></tr></tbody></table>

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

Transmission of Multiple Signals through an Optical Fiber Using Wavefront Shaping

マルチモード光ファイバを介して複数の独立した光信号の伝送は、ファイバ内伝搬中の光の歪みを補償するために、波面整形を用いて達成されます。私たちの方法論は、光の波面を個別変調器の異なる領域で変調された単一の空間光変調器、光信号ごとに一つの領域を使用するデジタル光位相共役に基づいています。デジタル光位相共役アプローチは、繊維の波伝播挙動の完全な決意が行われる（例えば）他の波面成形アプローチよりも速くなると考えられます。それが唯一の光信号ごとに1キャリブレーションを必要とするのでこれとは対照的に、提示されたアプローチは、時間効率的です。提案手法は、通信工学における空間分割多重化のための潜在的に適切です。さらに応用分野は、特にOで、バイオフォトニクスにおける内視鏡の光配信されています生体組織内の単一の細胞が選択的に高い空間分解能と時間分解能で照明されなければならないptogenetics、。

<html>長さ2mファイバの先端側の典型的な出力信号は、 図2に示されています。所望の焦点スポット（ピーク）は原則としてDOPCの不完全性に起因する望ましくないスペックルパターン（背景）、を伴っていることに注意してください。対応するピーク対バックグラウンド比（PBR）が53に達する（単に信号1が &#39;on&#39;である）、36はそれぞれ、ここで（両方の信号1と2が「オン」である）（単に信号2が &#39;on&#39;である）と20 。 （1710現在）が使用されるモードの多くをサポートしている繊維を時PBRを増加させることができます。 有限PBR、 図3に視覚化された出力信号間のクロストークの結果に起因します。周波数f1、-24デシベル（信号2からの信号1）と（信号1からの信号2）-29デシベルにf2の量の周期信号の間のクロストーク。 ntent「FO：キープtog...

私たちは、単一の空間光変調器を用いた波面整形を使用して、マルチモードファイバーを通じて複数の独立した信号の伝送を実演します。各信号の波面を個別に変調することにより、空間的に分離された焦点が伝送されます。潜在的なアプリケーションは、通信工学における多重化データ転送とバイオフォトニクスにおける内視鏡的光伝送です。

The transmission of multiple independent optical signals through a multimode fiber is accomplished using wavefront shaping in order to compensate for the ...

本手順の目的は、単一のマルチモードファイバーを通じて、空間的に分離した複数の個別の光信号を伝送し、同時にファイバー内部でのモード変換による光の歪みを補正することです。この斬新な技術は、複数の生物学的細胞やデータ信号チャネルを個別に抽出する必要がある生物医学や通信工学における重要な課題の解決に寄与します。空間的・時間的な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校正と伝送の両方に、単一の空間光変調器のみで対応できる点にあります。この手法の意義は、非侵襲的な研究や、パーキンソン病などの神経機能障害に対する将来的な治療法へと展開されます。ニューロンのモニタリングと制御は、時空間的な光信号を用いることで組み合わせて行われます。一般的に、この方法に慣れていない方は、高品質な透過に不可欠な光学系の光路調整に多大な労力を要するため、困難に直面すると考えられます。実験は光学ベンチ上で行います。光学素子はすでに配置されています。一部の素子は校正のみに使用されます。この空間光変調器は、セットアップの近位側でデータ信号伝送に使用される素子の一つです。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介して伝送されます。この概略図は装置の概要を示し、近位および遠位の構成要素を特定しています。レーザーによってコリメートされたコヒーレント光ビームが照射され、それが偏光ビームスプリッターによって分割されます。2つのビームの強度をほぼ等しく保つために、半波長板を使用してください。物体光は遠位側へ向かいます。ここでは、近位側へ向かう参照光に注目します。参照光を2つに分割し、得られた各ビームを光学変調器に通します。次に、空間的な分離を維持したまま、2つのビームを同一の経路に沿わせます。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、および線形偏光器を通過して遠位側から照射される光によって重ね合わされ、最終的に干渉します。最後のビームスプリッターにより、2つのビームは特殊な光変調器に向けて垂直に導かれます。実験の準備にあたり、参照光の偏光方向が偏光感応型の空間光変調器の偏光方向と一致するように、偏光ビームスプリッターの向きを調整してください。校正のために、2本のビームはCMOSカメラに焦点を合わせたレンズも通過します。現時点では、空間光変調器には何も表示されていないことに注意してください。したがって、校正中、モジュレーターは鏡のように機能します。ベンチ上で2つのレンズを用いて作業を行います。レンズの位置およびレンズ間の距離を調整してください。目的は、CMOSカメラにおいて特殊光変調器平面の鮮明な画像を得ることです。次に、校正のためにセットアップの遠位側に焦点を合わせます。物体光は、ビームスプリッターとミラーによって、空間的に分離した2つのビームに変換されます。別のビームスプリッターがビームを顕微鏡対物レンズへと導き、そこからCCDカメラに焦点を合わせたレンズへと送ります。ベンチ上で、顕微鏡対物レンズをマルチモードファイバーの遠位端に合わせます。レンズとCCDカメラを用いて、マルチモードファイバーからの光の後方反射を観察し、焦点を調整してください。近位側の対物レンズについても同様に調整を行います。これを用いて、マルチモードファイバーから出射する光をコリメートします。次に、CMOSカメラで干渉縞を確認し、干渉縞の間隔を変化させるよう調整してください。これは、参照光と物体光のミラーおよびビームスプリッターを調整することで行います。これにより、空間光変調器において物体光と参照光が交差する角度が変化しますが、この角度は1度未満にする必要があります。干渉縞の間隔が概ね2ピクセル分程度の大きさになった時点で停止してください。最後に線形偏光子を操作し、物体光と参照光の偏光状態に合わせて向きを調整します。これにより、CMOSカメラの画像においてコントラストが最大となり、明確な干渉縞が表示されます。最初のキャリブレーション手順では、空間光変調器とCMOSカメラの間のピクセル対応関係を求めます。偏光ビームスプリッター直後の物体光から開始します。半波長板と次のビームスプリッターの間で物体光を遮断します。次に、光学変調器を通過した直後の2つの参照光のうち、一方を用いて作業を行います。どちらか一方のみを遮光し、もう一方で空間光変調器を照射します。CMOSカメラを用いて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変調器の左上隅の座標を特定し、そこを空間光変調器の原点として設定します。完了したら、両方のビームブロックを取り除き、空間光変調器とCMOSカメラの間のピクセル関係の特定を完了させます。次のキャリブレーション手順は、信号パスのためのものです。現時点では、これらはビームパスにあたります。最初のステップは、2つのビームスプリッターの直後にある物体光2を遮断することです。次に、光変調器の後にある参照光2を遮断します。その後、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。これにより、ビームの領域1における反転位相を算出します。続いて、ビームからブロックを取り除きます。次に、オブジェクトビーム1と参照ビーム1を遮断します。カメラでキャプチャしたホログラムから、ビームの領域2における反転位相を算出します。次に進む前に、すべてのビームブロックを取り除いてください。透過実験のセットアップはより簡便です。信号伝達にCMOSカメラは不要であり、目的光ビームは遮断されています。ここで、2本の参照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ってCCDカメラへと到達します。コンピュータで、空間光変調器用の画像を作成します。領域1と領域2の反転位相画像を、それぞれ対応する位置に配置します。次に、これらの画像を結合し、コンピュータグラフィックスポートを介して空間光変調器に表示させます。ベンチにて、実験の最終準備を行います。リファレンスビームは光強度変調器を通過します。進めるには、両方のリファレンスビームでこれらを有効にしてください。コンピューター上で、CCDカメラからの出力信号を観察し、記録します。これらは、信号が2メートルの光ファイバーを通過した後、遠位側でカメラによって記録された典型的な結果です。これらの画像は、信号1のみがオンの状態に対応しています。信号2のみがオンの状態。および、両方の信号がオンの状態。各画像において、目的のピークに加えて、デジタル光位相共役の限界によるスペックルが生じています。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、ピーク対バックグラウンド比を向上させることができます。2つの周期的出力信号の間にはクロストークが存在します。信号1の周波数スペクトルでは、周波数 f1 に期待されるピークが、周波数 f2 により小さなピークが示されています。同様に、信号2の周波数スペクトルには、f2に期待されるピークがあり、f1に小さなピークがあります。この手順を行う際は、デジタル光学位相共役を機能させるために、空間光変調器とCMOSカメラを慎重に整合させることが重要です。この手順を強化するために、ファイバーの遠位端にアクセスすることなく透過を行うモデルベースのキャリブレーション技術を適用することができます。このビデオを視聴することで、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の個別の波形制御（individual wave shaping）を適用する方法について、十分に理解できるはずです。この革新的な技術の開発により、オプトジェネティクス（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のニューロンや心筋細胞において、神経変性疾患を探索するための道が開かれることになります。

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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

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