Artykuł metodologiczny

Transmisja wielu sygnałów przez światłowód z wykorzystaniem kształtowania czoła fali

DOI:

10.3791/55407

⸱

20 marca 2017

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Demonstrujemy transmisję wielu niezależnych sygnałów przez światłowód wielomodowy za pomocą kształtowania czoła fali za pomocą pojedynczego przestrzennego modulatora światła. Modulując czoło fali dla każdego sygnału z osobna, przesyłane są przestrzennie oddzielone ogniska. Potencjalne zastosowania to multipleksowany transfer danych w inżynierii komunikacyjnej oraz endoskopowe dostarczanie światła w biofotonice.

Streszczenie

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

Transmisja wielu niezależnych sygnałów optycznych przez światłowód wielomodowy odbywa się za pomocą kształtowania czoła fali w celu kompensacji zniekształceń światła podczas propagacji wewnątrz światłowodu. Nasza metodologia opiera się na cyfrowej optycznej koniugacji faz przy użyciu tylko jednego przestrzennego modulatora światła, gdzie czoło fali optycznej jest indywidualnie modulowane w różnych obszarach modulatora, po jednym obszarze na sygnał świetlny. Uważa się, że cyfrowe optyczne podejścia do koniugacji faz są szybsze niż inne podejścia do kształtowania czoła fali, w których (na przykład) przeprowadza się pełne określenie zachowania propagacji fali przez światłowód. W przeciwieństwie do tego, przedstawione podejście jest efektywne czasowo, ponieważ wymaga tylko jednej kalibracji na sygnał świetlny. Proponowana metoda jest potencjalnie odpowiednia dla multipleksowania z podziałem przestrzennym w inżynierii komunikacyjnej. Kolejnym obszarem zastosowań jest endoskopowe dostarczanie światła w biofotonice, zwłaszcza w optogenetyce, gdzie pojedyncze komórki w tkance biologicznej muszą być selektywnie oświetlane z wysoką rozdzielczością przestrzenną i czasową.

Wprowadzenie

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

Transmisja wielu sygnałów świetlnych przez światłowód wielomodowy (MMF) jest widoczna w inżynierii komunikacyjnej1 i biophotonics2. W inżynierii komunikacyjnej uważa się, że multipleksowanie z podziałem przestrzeni (SDM) jest realnym rozwiązaniem w celu zwiększenia zdolności transmisyjnych światłowodów dla przyszłych zastosowań przesyłania danych, korzystających z większego wykorzystania ograniczonej przestrzeni, w porównaniu z wieloma światłowodami jednomodowymi3. W biofotonice próbkami biologicznymi manipuluje się za pomocą światła przepuszczanego przez endoskop MMF4. Na przykład, niezależna kontrola optyczna pojedynczych neuronów za pomocą endoskopów MMF jest interesująca dla optogenetyki w celu badania sieci neuronalnych w mózgu5. Jednak światło rzucane na fasetę wejściową MMF podlega zniekształceniom z powodu mieszania modów i dyspersji podczas propagacji do aspektu wyjściowego MMF. W rezultacie rozchodzenie się światła jest zmienione, co sprawia, że transmisja sygnału jest trudna.

Metody kształtowania czoła fali6,7 są stosowane w mediach rozpraszających za pomocą przestrzennych modulatorów światła (SLM) i umożliwiają kompensację zniekształceń spowodowanych rozpraszaniem podczas rozchodzenia się światła8. Istnieją podejścia iteracyjne, które optymalizują dane wyjściowe za pomocą optycznego sprzężenia zwrotnego9. Podejścia te są dość czasochłonne ze względu na konieczność wielu iteracji i wysoki stopień swobody, odpowiadający dużej liczbie elementów modulatora. Innym podejściem jest całkowite określenie zniekształceń w FRP opisanych przez jego matrix10. Jeśli liczba trybów do transmisji jest duża, będzie to również czasochłonne. Natomiast cyfrowa optyczna koniugacja faz (DOPC) jest tutaj uważana za szybką i korzystną, ponieważ na powierzchni wyjściowej MMF musi zostać wygenerowanych tylko kilka punktów ogniskowych. Zademonstrowano również metody koniugacji fazowej dla ogniskowania lub obrazowania za pomocą tkanki biologicznej12,13,14.

Do tej pory DOPC był używany tylko do pojedynczego sygnału czasowego15,16, i był stosowany do transmisji światła przez MMF17. Nie udało się zastosować podejścia DOPC dla wielu niezależnych sygnałów. Opracowaliśmy ulepszoną metodę DOPC zapewniającą niezależną transmisję wielu sygnałów świetlnych przy użyciu indywidualnego kształtowania czoła fali dla każdego sygnału, wykorzystując tylko jedną fazę SLM18. W tym celu SLM jest podzielony na regiony, po jednym dla każdego przesyłanego sygnału. Proponowany układ doświadczalny przedstawiono na rysunku 1, gdzie kalibrację przeprowadza się w a) przed faktyczną transmisją w b).

figure-introduction-1
Rysunek 1: Konfiguracja eksperymentalna. BS = rozdzielacz wiązki, CCD = urządzenie sprzężone z ładunkiem, OM = modulator optyczny, CMOS = komplementarny półprzewodnik metalowo-tlenkowy, HWP = płytka półfalowa, L = soczewka, LP = polaryzator liniowy, MMF = światłowód wielomodowy, OBJ = obiektyw mikroskopu, PBS = rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej, SLM = przestrzenny modulator światła (tylko faza) — przedstawione są tylko wiązki istotne dla (a) kalibracji i (b) transmisji Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Składanie zestawu eksperymentalnego

  1. Przygotowanie strony proksymalnej
    1. Umieść i zamocuj laser zapewniający skolimowaną wiązkę światła - lub użyj lasera sprzężonego ze światłowodem z optyką kolimacyjną po stronie wyjściowej światłowodu.
    2. Umieść rozdzielacz wiązki polaryzacyjnej (PBS), aby podzielić wiązkę laserową na wiązkę odniesienia i wiązkę obiektu. Obróć orientację płytek półfalowych (HWP), obracając HWP w jego mocowaniu obrotowym, aż moc wiązki odniesienia i wiązki obiektu (po stronie dystalnej) będzie mniej więcej taka sama. Sprawdź to, umieszczając ekran zarówno w belce odniesienia, jak i w belce obiektu. Wybierz orientację PBS tak, aby polaryzacja wiązki odniesienia pasowała do wrażliwego na polaryzację przestrzennego modulatora światła (SLM).
    3. Umieść rozdzielacz wiązki (BS) w belce odniesienia, aby podzielić belkę odniesienia na dwie belki. Umieść modulatory optyczne (OM) tak, aby te dwie wiązki pochodzące z BS1 mogły przechodzić odpowiednio przez OM1 i OM2.
    4. Połącz dwie wiązki przechodzące przez OM1 i OM2 w BS2 za pomocą dwóch luster. Dopasuj rozdzielacze wiązki i lustra tak, aby obie wiązki były przestrzennie rozdzielone.
    5. Ostrożnie wyrównaj BS5, aby upewnić się, że kierunek padania obu wiązek jest prostopadły do płaszczyzny pikseli SLM, ignorując na początku BS3 i BS4. Na początku nic nie jest wyświetlane na SLM, tzn. działa jak lustro do końca kalibracji (przez cały krok 2).
    6. Dostosuj położenie i odległość między dwiema soczewkami (L) tworzącymi teleskop keplerowski, aby uzyskać ostry obraz płaszczyzny SLM na kamerze z komplementarnym półprzewodnikiem metalowo-tlenkowym (CMOS). Obserwuj prawidłową orientację L1 i L2 (płaskie boki są skierowane do siebie), aby zminimalizować aberracje.
  2. Przygotowanie strony dystalnej
    1. Użyj BS7, aby podzielić wiązkę obiektu na dwie wiązki i połączyć je w BS8 za pomocą dwóch luster. Ponownie dostosuj rozdzielacze wiązki i lustra tak, aby obie wiązki były przestrzennie oddzielone.
    2. Odchyl obie wiązki za pomocą BS9, aby skierować je na obiektyw mikroskopu (OBJ). Skoncentruj OBJ2 na dystalnym końcu światłowodu wielomodowego (MMF). Sprawdź ostrość, obserwując odbicie wsteczne od MMF za pomocą L3 i kamery ze sprzężeniem ładunkowym (CCD).
  3. Łączenie strony bliższej i dalszej
    1. Kolimacja światła z wiązki obiektu wychodzącej z MMF za pomocą OBJ1.
    2. Podziel wiązkę obiektu za pomocą BS6, najpierw zignoruj polaryzator liniowy (LP). Połącz obie belki obiektów z obiema belkami odniesienia na BS3 i BS4 za pomocą lustra. Dopasuj rozdzielacze wiązki i lustra tak, aby każda para wiązki odniesienia i wiązki obiektu nakładała się na siebie w SLM, przecinając się pod małym kątem (mniejszym niż 1°).
    3. Upewnij się, że moc odniesienia i wiązki obiektu są w przybliżeniu równe, obracając orientację HWP, zgodnie z krokiem 1.1.2.
    4. Sprawdź wzór interferencji (hologram poza osią) w kamerze CMOS i odpowiednio dostosuj kąt przecięcia. Zwiększaj kąt, aż odstępy między prążkami interferencyjnymi będą mniej więcej równe rozmiarowi dwóch pikseli w kamerze CMOS.
    5. Dostosuj orientację LP do polaryzacji obiektu i wiązki referencyjnej, aby uzyskać maksymalny kontrast wzoru interferencyjnego w obrazie z kamery CMOS, tak aby obraz z kamery pokazywał wyraźne prążki.

2. Kalibracja systemu

  1. Kalibracja relacji pikseli między SLM a CMOS
    1. Oświetl cały SLM za pomocą tylko jednej z wiązek odniesienia i zablokuj pozostałe wiązki odniesienia i obiekty.
    2. Przechwyć obraz SLM za pomocą kamery CMOS.
    3. Uzyskaj współrzędne lewego górnego rogu SLM na obrazie z kamery CMOS, np. za pomocą oprogramowania graficznego i kursora myszy na komputerze. Użyj tych współrzędnych pikseli jako punktu początkowego dla SLM.
    4. Usuń wszystkie bloki belki.
  2. Kalibracja ścieżek sygnałowych
    1. Zablokuj zarówno belkę odniesienia 2, jak i belkę obiektu 2.
    2. Przechwyć obraz hologramu za pomocą kamery CMOS. Oceń fazę w zarejestrowanym hologramie za pomocą metody widma kątowego19. Oblicz fazę odwróconą w odpowiednim obszarze wiązki 1.
    3. Usuń poprzednie bloki belki i teraz blokuj zarówno belkę odniesienia 1, jak i belkę obiektu 1.
    4. Przechwyć obraz hologramu za pomocą kamery CMOS. Ponownie zmierz fazę w zarejestrowanym hologramie za pomocą metody widma kątowego. Oblicz fazę odwróconą w odpowiednim obszarze wiązki 2.
    5. Usuń wszystkie bloki belki.

3. Przesyłanie sygnałów

  1. Zablokuj belkę obiektu.
  2. Zszyj ze sobą obliczone obrazy odwróconej fazy w odpowiednich obszarach wiązki 1 i 2 i wyświetl cały obraz na SLM, zwykle przy użyciu portu grafiki komputerowej.
  3. Rozpocznij modulację sygnałów wejściowych 1 i 2, aktywując OM1 i OM2.
  4. Obserwuj sygnały wyjściowe 1 i 2 w kamerze CCD.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Typowe sygnały wyjściowe po dystalnej stronie światłowodu o długości 2 m są przedstawione na rysunku 2. Zauważ, że pożądanemu punktowi ogniskowemu (szczytowi) towarzyszy niepożądany wzór plamki (tło), który jest zasadniczo spowodowany niedoskonałością DOPC. Odpowiedni stosunek piku do tła (PBR) wynosi tutaj odpowiednio 53 (tylko sygnał 1 jest "włączony"), 36 (tylko sygnał 2 jest włączony) i 20 (zarówno sygnał 1, jak i 2 są "włączony"). PBR można zwiększyć, gdy zastosuje s...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Montaż układu eksperymentalnego (krok 1 w protokole) wymaga dokładnego wyrównania elementów optycznych względem siebie. Najważniejszym aspektem jest prostokątne nachylenie belek referencyjnych na SLM w celu zapewnienia wysokiego PBR.

W celu ulepszenia konfiguracji do więcej niż dwóch przesyłanych sygnałów, można zastosować dodatkowe rozdzielacze wiązki. Alternatywnie, implementacja oparta na światłowodach byłaby bardziej kompaktowa i wytrzymała, co pozwoliłoby na przenośność systemu do badań <...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Z wdzięcznością dziękujemy za wsparcie finansowe ze strony DFG (Niemiecka Fundacja Badawcza, projekt CZ 55/30-1) dla części tej pracy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
modulator światła przestrzennegoHoloeyePLUTO-VIS-016
Kamera CMOSMikrotronMC4082
pompowany diodą laser półprzewodnikowyLaser KameraQuantum torus 532
CCDIDSU3-3482LE-M; nadaje się również
obiektyw 1Obiektyw QioptiqG063204000
2Soczewka QioptiqG063203000
3wielomodowy ThorlabsAC508-180-A-ML
rozdzielacze wiązkiThorlabs
rozdzielacze wiązki polaryzacyjnejThorlabsPBS251
lustraThorlabsPF10-03-P015x
ThorlabsRMS20X2x
płytki półfaloweThorlabsWPH10M-5322x
polaryzator liniowyModulatory optyczne ThorlabsLPVISB050-MP2
ThorlabsMC2000B-EC2x
stolik liniowy i obrotowy do kamery CMOSZłącze światłowodowe ThorlabsXYR1/M
ThorlabsS120-SMA2x
pierścień redukcyjny do obiektywów mikroskopowychQioptiqG0616210002x
regulacja xy dla adapterów obiektywówQioptiqG0610250002x
Z Uchwyt translacyjny do adaptera światłowodowegoThorlabsSM1Z2x
pręty do wyrównania światłowodów do obiektywówQioptiqG0612100008x
do obiektywów 1 i 2 plus dwa mocowania phantomQioptiqG0610470004x
wsporniki szynowe do mocowania obiektywów i obiektywówQioptiqG0613720006x
do nośników szynowychQioptiqG061359000
2x adapter do kamery CCD na 1 słupekwewnętrzny
adapter do lasera na 4 stanowiska
wewnętrzny uchwyt do obiektywu 3ThorlabsLMR2/M
mocowania do płyt półfalowychMocowania ThorlabsRSP1D/M2
do lusterUchwyt ThorlabsKM1005x
do polaryzatora liniowegoThorlabsRSP05/M
do rozdzielaczy wiązki i SLM Ramionazaciskowe ThorlabsKM100PM/M11x
do rozdzielaczy wiązki i SLMThorlabsPM4/M11x
słupki do mocowań, nośniki szynowe i adapteryThorlabsTR75/M29x
uchwyty do słupkówThorlabsPH50/M29x
wsporniki do uchwytówThorlabsBE1/M29x
widełki zaciskowe do wspornikówThorlabsCF12529x
CCD Kamera światłowód M14L02 Thorlabs BS013 9x obiektywy mikroskopowe mocowania szyna Mocowania

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Transmisja wiat owodowaPrzestrzenny Modulator wiat aCyfrowe Sprz ganie Fazowe wiat awiat ow d WielomodowyMultipleksacja Podzia u PrzestrzennegoZastosowania OptogenetyczneEndoskopowe Dostarczanie wiat aKalibracja Sygna uDetekcja Kamer CCD

Powiązane artykuły