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.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Transmisja wielu sygnałów przez światłowód z wykorzystaniem kształtowania czoła fali
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
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
Transmisja wielu sygnałów świetlnych przez światłowód wielomodowy (MMF) znajduje zastosowanie w inżynierii komunikacyjnej1 oraz biofotonice2. W inżynierii komunikacyjnej uważa się, że multipleksacja przestrzenna (SDM) stanowi rozwiązanie umożliwiające zwiększenie pojemności transmisyjnej światłowodów w przyszłych zastosowaniach przesyłu danych, co pozwala na efektywniejsze wykorzystanie ograniczonej przestrzeni w porównaniu z zastosowaniem wielu światłowodów jednomodowych3. W biofotonice próbki biologiczne są manipulowane za pomocą światła transmitowanego przez endoskop MMF4. Przykładowo, niezależna optyczna kontrola poszczególnych neuronów z wykorzystaniem endoskopów MMF jest istotna dla optogenetyki w celu badania sieci neuronalnych w mózgu5. Jednakże światło rzutowane na czoło wejściowe MMF ulega zniekształceniu w wyniku mieszania modów i dyspersji podczas propagacji do czoła wyjściowego MMF. W konsekwencji propagacja światła ulega zmianie, co utrudnia transmisję sygnału.
Metody kształtowania frontu fali6,7 są stosowane w ośrodkach rozpraszających przy użyciu przestrzennych modulatorów światła (SLM) i umożliwiają kompensację zniekształceń wynikających z rozpraszania podczas propagacji światła8. Istnieją podejścia iteracyjne, które optymalizują sygnał wyjściowy za pomocą sprzężenia zwrotnego optycznego9. Metody te są dość czasochłonne ze względu na konieczność przeprowadzenia licznych iteracji oraz wysoki stopień swobody, odpowiadający dużej liczbie elementów modulatora. Innym podejściem jest całkowite określenie zniekształcenia w wielomodowym światłowodzie (MMF) za pomocą jego macierzy transmisji10. Jeśli liczba transmitowanych modów jest duża, metoda ta również będzie czasochłonna. W przeciwieństwie do nich, cyfrowa sprzężona koniugacja fazowa (DOPC) jest w tym przypadku uważana za szybką i korzystną, ponieważ na czole wyjściowym MMF należy wygenerować tylko kilka plamek ogniskowych. Podejścia oparte na koniugacji fazowej zostały zademonstrowane również w przypadku ogniskowania lub obrazowania przez tkankę biologiczną12,13,14.
Do tej pory DOPC stosowano jedynie dla pojedynczego sygnału czasowego15,16, a także wykorzystywano go do transmisji światła przez MMF17. Podejście DOPC dla wielu niezależnych sygnałów nie zostało dotąd zrealizowane. Opracowaliśmy ulepszoną metodę DOPC umożliwiającą niezależną transmisję wielu sygnałów świetlnych poprzez indywidualne kształtowanie czoła fali dla każdego sygnału przy użyciu pojedynczego SLM działającego tylko na fazie18. W tym celu SLM zostaje podzielony na regiony, po jednym dla każdego transmitowanego sygnału. Proponowany układ doświadczalny przedstawiono na Rysunku 1, gdzie w punkcie a) przeprowadzono kalibrację przed właściwą transmisją ukazaną w punkcie b).
Rycina 1: Układ eksperymentalny. BS = dzielnik wiązki, CCD = urządzenie o ładunku sprzężonym, OM = modulator optyczny, CMOS = komplementarny metal-tlenek-półprzewodnik, HWP = płytka półfalowa, L = soczewka, LP = polaryzator liniowy, MMF = światłowód wielomodowy, OBJ = obiektyw mikroskopowy, PBS = polaryzacyjny dzielnik wiązki, SLM = przestrzenny modulator światła (tylko faza) — przedstawiono jedynie wiązki istotne dla (a) kalibracji oraz (b) transmisji Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół
1. Składanie zestawu eksperymentalnego
- Przygotowanie strony proksymalnej
- Umieść i zamocuj laser zapewniający skolimowaną wiązkę światła - lub użyj lasera sprzężonego ze światłowodem z optyką kolimacyjną po stronie wyjściowej światłowodu.
- 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).
- 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.
- 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.
- 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).
- 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.
- Przygotowanie strony dystalnej
- 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.
- 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).
- Łączenie strony bliższej i dalszej
- Kolimacja światła z wiązki obiektu wychodzącej z MMF za pomocą OBJ1.
- 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°).
- Upewnij się, że moc odniesienia i wiązki obiektu są w przybliżeniu równe, obracając orientację HWP, zgodnie z krokiem 1.1.2.
- 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.
- 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
- Kalibracja relacji pikseli między SLM a CMOS
- Oświetl cały SLM za pomocą tylko jednej z wiązek odniesienia i zablokuj pozostałe wiązki odniesienia i obiekty.
- Przechwyć obraz SLM za pomocą kamery CMOS.
- 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.
- Usuń wszystkie bloki belki.
- Kalibracja ścieżek sygnałowych
- Zablokuj zarówno belkę odniesienia 2, jak i belkę obiektu 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.
- Usuń poprzednie bloki belki i teraz blokuj zarówno belkę odniesienia 1, jak i belkę obiektu 1.
- 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.
- Usuń wszystkie bloki belki.
3. Przesyłanie sygnałów
- Zablokuj belkę obiektu.
- 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.
- Rozpocznij modulację sygnałów wejściowych 1 i 2, aktywując OM1 i OM2.
- Obserwuj sygnały wyjściowe 1 i 2 w kamerze CCD.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wyniki
Typowe sygnały wyjściowe na dystalnym końcu włókna o długości 2 m przedstawiono na Rysunku 2. Należy zauważyć, że pożądana plamka ogniskowa (pik) jest towarzyszona niepożądanym prążkami (tłem), co wynika z zasadniczych niedoskonałości DOPC. Odpowiedni stosunek sygnału do tła (PBR) wynosi tutaj odpowiednio 53 (wyłącznie sygnał 1 jest „włączony”), 36 (wyłącznie sygnał 2 jest „włączony”) oraz 20 (oba sygnały 1 i 2 są „włączone”). Wartość PBR można zwiększyć, stosując włókno ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dyskusja
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
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Podziękowania
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
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| modulator światła przestrzennego | Holoeye | PLUTO-VIS-016 | |
| Kamera CMOS | Mikrotron | MC4082 | |
| pompowany diodą laser półprzewodnikowy | Laser Kamera | Quantum torus 532 | |
| CCD | IDS | U3-3482LE-M | ; nadaje się również |
| obiektyw 1 | Obiektyw Qioptiq | G063204000 | |
| 2 | Soczewka Qioptiq | G063203000 | |
| 3 | wielomodowy Thorlabs | AC508-180-A-ML | |
| rozdzielacze wiązki | Thorlabs | ||
| rozdzielacze wiązki polaryzacyjnej | Thorlabs | PBS251 | |
| lustra | Thorlabs | PF10-03-P01 | 5x |
| Thorlabs | RMS20X | 2x | |
| płytki półfalowe | Thorlabs | WPH10M-532 | 2x |
| polaryzator liniowy | Modulatory optyczne Thorlabs | LPVISB050-MP2 | |
| Thorlabs | MC2000B-EC | 2x | |
| stolik liniowy i obrotowy do kamery CMOS | Złącze światłowodowe Thorlabs | XYR1/M | |
| Thorlabs | S120-SMA | 2x | |
| pierścień redukcyjny do obiektywów mikroskopowych | Qioptiq | G061621000 | 2x |
| regulacja xy dla adapterów obiektywów | Qioptiq | G061025000 | 2x |
| Z Uchwyt translacyjny do adaptera światłowodowego | Thorlabs | SM1Z | 2x |
| pręty do wyrównania światłowodów do obiektywów | Qioptiq | G061210000 | 8x |
| do obiektywów 1 i 2 plus dwa mocowania phantom | Qioptiq | G061047000 | 4x |
| wsporniki szynowe do mocowania obiektywów i obiektywów | Qioptiq | G061372000 | 6x |
| do nośników szynowych | Qioptiq | G061359000 | |
| 2x adapter do kamery CCD na 1 słupek | wewnętrzny | ||
| adapter do lasera na 4 stanowiska | |||
| wewnętrzny uchwyt do obiektywu 3 | Thorlabs | LMR2/M | |
| mocowania do płyt półfalowych | Mocowania Thorlabs | RSP1D/M | 2 |
| do luster | Uchwyt Thorlabs | KM100 | 5x |
| do polaryzatora liniowego | Thorlabs | RSP05/M | |
| do rozdzielaczy wiązki i SLM Ramiona | zaciskowe Thorlabs | KM100PM/M | 11x |
| do rozdzielaczy wiązki i SLM | Thorlabs | PM4/M | 11x |
| słupki do mocowań, nośniki szynowe i adaptery | Thorlabs | TR75/M | 29x |
| uchwyty do słupków | Thorlabs | PH50/M | 29x |
| wsporniki do uchwytów | Thorlabs | BE1/M | 29x |
| widełki zaciskowe do wsporników | Thorlabs | CF125 | 29x |
Bibliografia
- Richardson, D. J., Fini, J. M., Nelson, L. E. Space-division multiplexing in optical fibres. Nat. Photonics. 7 (5), 354-362 (2013).
- 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).
- Winzer, P. J. Scaling optical fiber networks: Challenges and solutions. Opt. Photonics News. 26 (3), 28-35 (2015).
- 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).
- 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).
- Philipp, K., et al. Volumetric HiLo microscopy employing an electrically tunable lens. Opt. Express. 24 (13), 15029-15041 (2016).
- 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).
- Vellekoop, I. M. Feedback-based wavefront shaping. Opt. Express. 23 (9), 12189-12206 (2015).
- 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).
- 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).
- Cižmár, T., Dholakia, K. Exploiting multimode waveguides for pure fibre-based imaging. Nat. Commun. 3, 1027(2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Hillman, T. R., et al. Digital optical phase conjugation for delivering two-dimensional images through turbid media. Sci. Rep. 3, UK. (2013).
- 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).
- 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).
- Kim, M. K. Principles and techniques of digital holographic microscopy. SPIE Rev. 1 (1), 01800501-01800550 (2010).
- Gu, R. Y., Mahalati, R. N., Kahn, J. M. Design of flexible multi-mode fiber endoscope. Opt. Express. 23 (21), 26905-26918 (2015).
- 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
