Methodenartikel

Transmissie van meerdere signalen door middel van een optische vezel met behulp van Golffront Shaping

DOI:

10.3791/55407

⸱

20 maart 2017

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

In dit artikel

Samenvatting

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

We demonstreren de transmissie van meerdere onafhankelijke signalen door een multimodevezel met behulp van golffrontvorming met behulp van een enkele ruimtelijke lichtmodulator. Door de golffront voor elk signaal afzonderlijk te moduleren, worden ruimtelijk gescheiden foci verzonden. Mogelijke toepassingen zijn multiplexte gegevensoverdracht in de communicatietechniek en endoscopische lichtlevering in biofotonica.

Samenvatting

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

De transmissie van meerdere onafhankelijke optische signalen via een multimode vezel wordt uitgevoerd onder toepassing golffront vormen ter compensatie van de lichte vervorming tijdens de propagatie in de vezel. Onze methodiek is gebaseerd op de digitale optische fase vervoeging gebruik slechts een enkele ruimtelijke lichtmodulator, waar de optische golffront afzonderlijk in verschillende regio's van de modulator wordt gemoduleerd, één regio per lichtsignaal. Digitale optische faseconjugatie methoden worden als sneller dan andere benaderingen golffront vormen, waarbij (bijvoorbeeld) een volledige bepaling van de golfvoortplanting gedrag van de vezel uitvoerbaar is. In tegenstelling, de gepresenteerde benadering tijdbesparende aangezien het slechts één kalibratie per lichtsignaal vereist. De voorgestelde methode is potentieel geschikt voor ruimtelijke division multiplexing in communicatie-engineering. Verdere toepassingsgebieden zijn endoscopische licht levering in biofotonica, vooral in de optogenetics, waarin enkelvoudige cellen in biologisch weefsel selectief worden belicht met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie.

Inleiding

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

De overdracht van meerdere lichtsignalen door een multimode fiber (MMF) is duidelijk in communicatie-engineering 1 en biofotonica 2. In de communicatietechniek, wordt ruimte multiplexen (SDM) die geacht een levensvatbare oplossing om de transportcapaciteit van optische vezels voor toekomstige gegevensoverdracht toepassingen waarvoor een hogere gebruik van de beperkte ruimte, verbetering vergeleken met meerdere monomode vezels 3. In biofotonica, zijn biologische monsters gemanipuleerd door lichtdoorlatend door een MMF endoscoop 4. Bijvoorbeeld, de onafhankelijke optische controle van individuele neuronen via MMF endoscopen van belang voor optogenetics om neuronale netwerken te bestuderen in de hersenen 5. De licht geprojecteerd op de MMF ingang facet is onderworpen aan vervorming door mode menging en dispersie tijdens propagatie de Output facet van de MMF. Hierdoor wordt de lichtpropagatie veranderen, wat signaaloverdracht moeilijk maakt.

Wavefront vormgeven methoden 6, 7 worden toegepast in verstrooiing media met behulp van spatial light modulators (SLM) en schakel de compensatie voor de verstoring als gevolg van verstrooiing tijdens lichte propagatie 8. Er zijn iteratieve benaderingen die de uitgang met een optische feedback 9 optimaliseren. Deze benaderingen zijn tijdrovend vanwege de noodzaak van talrijke herhalingen en de grote mate van vrijheid, die overeenkomt met een groot aantal elementen modulator. Een andere benadering is om de vervorming binnen het door de transmissie matrix 10 MMF volledig te karakteriseren. Als het aantal toestanden te verzenden is groot, dit tijdrovend ook. Daarentegen wordt digitale optische faseconjugatie (DOPC) beschouwd alssnelle en hier voordelig, omdat slechts weinig focale vlekken moeten worden gegenereerd aan de uitgang facet van de MMF. Faseconjugatie benaderingen zijn ook aangetoond voor het focusseren of beeldvorming door middel van biologisch weefsel 12, 13, 14.

Tot dusver DOPC werd toegepast voor een tijdsignaal slechts 15, 16, en voor de transmissie van licht werd toegepast via een MMF 17. Een DOPC aanpak voor meerdere onafhankelijke signalen is nog niet volbracht. We hebben een verbeterde DOPC methode die de onafhankelijke transmissie van meerdere lichtsignalen met behulp van individuele golffront vormgeven voor elk signaal het gebruik van een enkel fase-single SLM 18 ontwikkeld. Hiertoe wordt de SLM gesegmenteerd in gebieden, één voor elke over te dragen signaal. De voorgestelde experimentele opstelling is weergegeven in figuur 1Wanneer een kalibratie wordt uitgevoerd in a) voor de eigenlijke overdracht gebeurt in b).

figure-introduction-1
Figuur 1: Experimentele setup. BS = bundelsplitser, CCD = ladingsgekoppelde inrichting, OM = optische modulator, CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor, HWP = halve golfplaat, L = lens, LP = lineaire polarisator, MMF = multimode vezel, OBJ = microscoop objectief, PBS = polariserende bundelsplitser, SLM = ruimtelijke lichtmodulator (fase only) - alleen relevant balken voor (a) de kalibratie en (b) de overdracht zijn afgebeeld klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Montage van de experimentele opstelling

  1. De voorbereiding van de proximale zijde
    1. Plaats en bevestig de laser die een gecollimeerde lichtstraal - of gebruik een gevezelde laser met collimatie optiek bij de uitgang facet van de vezel.
    2. Zet de polariserende bundelsplitser (PBS) om de laserbundel te splitsen in referentie- en objectbundel. Draai de oriëntatie van het halve golfplaten (HWP) door rotatie van de HWP in zijn rotatie gebruikt totdat de kracht van de referentiebundel en de voorwerpbundel (aan de distale zijde) ongeveer gelijk. Controleer dit door een scherm in het referentie- en het object balk. Kies de oriëntatie van de PBS zodat de polarisatie van de referentiebundel past de polarisatiegevoelige ruimtelijke lichtmodulator (SLM).
    3. Liep bundelsplitser (BS) in de referentiebundel naar de referentiebundel gesplitst in twee bundels. Plaats de optische modulatoren (OM) zodat deze twee bundels uit BS1 kan passeren OM1 en OM2 resp.
    4. Combineer de twee bundels passeren OM1 en OM2 bij BS2 dienst twee spiegels. Stel de bundelsplitsers en spiegels zodat beide bundels ruimtelijk gescheiden.
    5. uitlijnen BS5 zorgvuldig zodat de richting van inval van beide bundels loodrecht op de pixel vlak van de SLM, negeren BS3 en BS4 aanvankelijk. Eerst wordt er niets op het SLM, dat wil zeggen, het werkt als een spiegel tot het einde van de kalibratie (tijdens stap 2).
    6. Stel de positie en de afstand tussen de twee lenzen (L) die een Kepler telescoop om een ​​scherp beeld van de SLM op het vlak Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) camera te halen. Bekijk de correcte oriëntatie van L1 en L2 (vlakke zijden tegenover elkaar) aberraties te minimaliseren.
  2. De voorbereiding van de distale zijde
    1. Gebruik BS7 de objectbundel gesplitst in twee bundels en combineren op BS8 dienst twee spiegels. Nogmaals, pas de balk splitters en mirrors zodat beide bundels ruimtelijk gescheiden.
    2. Afbuigen beide bundels met behulp BS9 om hen te streven naar de microscoop doelstelling (OBJ). Focus obj2 op het distale uiteinde van de multimode vezel (MMF). Controleer de scherpstelling en houdt de achterkant reflectie van de MMF gebruik L3 en een ladingsgekoppelde inrichting (CCD) camera.
  3. Aansluiten proximale en distale zijde
    1. Richt het licht van het object balk verlaten van de MMF dienst obj1.
    2. Splits de object balk met behulp van BS6, negeer de lineaire polarisator (LP) op het eerste. Combineer beide object balken met beide referentie-stralen bij BS3 en BS4 het gebruik van een spiegel. Stel de bundelsplitsers en spiegels zodat elk paar referentie en balk object overlap de SLM, doorsnijdt een kleine hoek (minder dan 1 °).
    3. Zorg ervoor dat de macht van de referentie en de object balk ongeveer gelijk zijn door het draaien van de oriëntatie van de HWP, volgens stap 1.1.2.
    4. Controleer de storing pattern (off-axis-hologram) aan de CMOS-camera en dienovereenkomstig aan te passen de kruising hoek. Verhoog de hoek, totdat de interferentierand tussenruimte ongeveer gelijk aan de grootte van twee pixels van de CMOS-camera.
    5. Stel de oriëntatie van de LP om de polarisatie van het object en referentie-bundel te passen met het oog op een maximaal contrast van het interferentiepatroon imago van de CMOS-camera in te krijgen, zodat het camerabeeld toont duidelijke franjes.

2. Het kalibreren van de System

  1. Het kalibreren van de pixel relatie tussen SLM en CMOS
    1. Verlichten de hele SLM slechts één van de referentiebundels en blokkeren de andere hand en objecten balken.
    2. Leg een afbeelding van de SLM met de CMOS camera.
    3. Haal de coördinaten van de linkerbovenhoek van de SLM imago van de CMOS-camera in, bijvoorbeeld met behulp van grafische software en de muiscursor op de PC. Gebruik deze pixel coördinaten als het punt van oorsprongover de SLM.
    4. Verwijder al balksloffen.
  2. Kalibreren van de signaalwegen
    1. Blokkeer beide referentiebundel 2 en object beam 2.
    2. Leg een beeld van het hologram met de CMOS-camera. Evalueer de fase in het hologram opgenomen met behulp hoekspectrum methode 19. Bereken de omgekeerde fase van het overeenkomstige gebied van de balk 1.
    3. Verwijder de voormalige balksloffen en nu te blokkeren zowel referentie bundel 1 en object beam 1.
    4. Leg een beeld van het hologram met de CMOS-camera. Meet de fase van het hologram opgenomen met behulp hoekspectrum werkwijze weer. Bereken de omgekeerde fase bij het overeenkomstige gebied van de balk 2.
    5. Verwijder al balksloffen.

3. Het overbrengen van de Signals

  1. Blokkeer de object balk.
  2. Steek de berekende omgekeerde fase opnamen worden aan de overeenkomstige gebieden van de balk 1 en 2 samen en weergevenhele beeld op de SLM, meestal met behulp van de computer graphics port.
  3. Start de modulatie van de ingangssignalen 1 en 2 door het activeren OM1 en OM2.
  4. Neem de uitgangssignalen 1 en 2 op de CCD camera.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Typische uitgangssignalen aan de distale zijde van 2 m lange vezels zijn weergegeven in figuur 2. Merk op dat de gewenste brandpunt (piek) gaat gepaard met een ongewenste speckle patroon (achtergrond), die het gevolg is van de onvolmaaktheid DOPC als principieel. De bijbehorende piek-tot-achtergrond ratio (PBR) bedraagt ​​53 (enkel signaal 1 is 'op'), 36 (enkel signaal 2 op 'on') en 20 (beide signalen 1 en 2 zijn 'on') hier, respectievelijk ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De montage van de experimentele opstelling (stap 1 in het protocol) is een grondige uitlijning van de optische componenten ten opzichte van elkaar. Het belangrijkste aspect is de rechthoekige incidentie van de referentiebundels op de SLM om een ​​hoge PBR waarborgen.

Om de installatie meer dan twee verzonden signalen versterken, zouden aanvullende bundelsplitsers worden gebruikt. Als alternatief zou een op vezel gebaseerde implementatie compacter en robuuster zodat het systeem draagbaar ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

De financiële ondersteuning door DFG (Duitse onderzoeksstichting, project CZ 55/30-1) voor delen van dit werk wordt met dank erkend.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
spatial light modulatorHoloeyePLUTO-VIS-016
CMOS cameraMikrotronMC4082
diode-pumped solid state laserLaser Quantumtorus 532
CCD cameraIDSU3-3482LE-M CMOScamera; suitable as well
lens 1QioptiqG063204000
lens 2QioptiqG063203000
lens 3ThorlabsAC508-180-A-ML
multimode fiberThorlabsM14L02
beam splittersThorlabsBS0139x
polarizing beam splittersThorlabsPBS251
mirrorsThorlabsPF10-03-P015x
microscope objectivesThorlabsRMS20X2x
half wave platesThorlabsWPH10M-5322x
linear polarizerThorlabsLPVISB050-MP2
optical modulatorsThorlabsMC2000B-EC2x
linear and rotation stage for CMOS cameraThorlabsXYR1/M
fiber connectorThorlabsS120-SMA2x
reducing ring for microscope objectivesQioptiqG0616210002x
xy adjustment for objective adaptersQioptiqG0610250002x
z translation mount for fiber adapterThorlabsSM1Z2x
rods for fiber alignment to objectivesQioptiqG0612100008x
mounts for lenses 1 and 2 plus two phantom mountsQioptiqG0610470004x
rail carriers for objective and lens mountsQioptiqG0613720006x
rail for rail carriersQioptiqG0613590002x
adapter for CCD camera to 1 postin-house
adapter for laser to 4 postsin-house
mount for lens 3ThorlabsLMR2/M
mounts for half wave platesThorlabsRSP1D/M2
mounts for mirrorsThorlabsKM1005x
mount for linear polarizerThorlabsRSP05/M
mounts for beam splitters and SLMThorlabsKM100PM/M11x
clamping arms for beam splitters and SLMThorlabsPM4/M11x
posts for mounts, rail carriers and adaptersThorlabsTR75/M29x
holders for postsThorlabsPH50/M29x
pedestals for holdersThorlabsBE1/M29x
clamping forks for pedestalsThorlabsCF12529x

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Optische vezeltransmissieruimtelijke lichtmodulatordigitale optische faseconjugatiemulti mode vezelruimtelijke divisie multiplexingoptogenetische toepassingenendoscopische lichttoevoersignaalkalibratieCCD camera detectie

Gerelateerde artikelen