Transmissão de múltiplos sinais através de uma fibra óptica Usando Wavefront Shaping

Resumo

Demonstramos a transmissão de múltiplos sinais independentes através de uma fibra multimodo usando modelagem de frente de onda empregando um único modulador de luz espacial. Ao modular a frente de onda para cada sinal individualmente, focos espacialmente separados são transmitidos. As aplicações potenciais são a transferência de dados multiplexados em engenharia de comunicações e o fornecimento de luz endoscópica em biofotônica.

Resumo

A transmissão de sinais ópticos múltiplos independentes, através de uma fibra multimodo é realizado utilizando moldagem de frente de onda, a fim de compensar a distorção durante a propagação da luz no interior da fibra. Nossa metodologia é baseada na conjugação de fase digital óptico empregando apenas um único modulador de luz espacial, onde a frente de onda óptico é modulado individualmente em diferentes regiões do modulador, uma região por sinal luminoso. abordagens de conjugação de fase óptica digitais são considerados para ser mais rápido do que outras abordagens de frente de onda moldar, onde (por exemplo) é realizada uma determinação completa do comportamento de propagação da onda da fibra. Em contraste, a abordagem apresentada é rápida e eficiente uma vez que requer apenas uma calibração por cada sinal de luz. O método proposto é potencialmente adequado para a multiplexação por divisão espacial em engenharia de comunicações. Outros campos de aplicação são a entrega de luz endoscópica em biophotonics, especialmente em optogenetics, onde as células individuais no tecido biológico tem que ser iluminada seletivamente com alta resolução espacial e temporal.

Introdução

A transmissão de sinais múltiplos de luz através de uma fibra multimodo (MMF) é evidente em comunicação de engenharia ¹ e ² biofotónica. Na engenharia de comunicações, acredita-se que a multiplexação por divisão de espaço (SDM) como uma solução viável para melhorar a capacidade de transmissão de fibras ópticas para aplicações de transferência de dados futuras que beneficiam de uma maior utilização do espaço limitado, em comparação com várias fibras monomodo ^3. Em biophotonics, amostras biológicas são manipulados pela transmissão da luz através de um endoscópio MMF ^4. Por exemplo, o dispositivo de controlo óptico independente de neurónios individuais usando endoscópios MMF é de interesse para Optogenetics, a fim de estudar as redes neuronais no cérebro ^5. No entanto, a luz projetada sobre a faceta de entrada MMF está sujeito a distorção devido à mistura de modo e dispersão durante a propagação para o Output faceta do MMF. Como resultado, a propagação da luz é alterada, o que torna a transmissão de sinal desafiador.

Wavefront moldar métodos ^{6, 7} são aplicados na dispersão mídia usando moduladores de luz espacial (SLM) e permitir a compensação para a distorção devido à dispersão durante a propagação da luz ^8. Existem abordagens iterativos que otimizam a saída usando uma realimentação óptica ^9. Estas abordagens são bastante demorado devido à necessidade de numerosas iterações e o elevado grau de liberdade, correspondendo a um grande número de elementos de modulador. Outra abordagem é para determinar completamente a distorção dentro do MMF descrito por sua matriz de transmissão ^10. Se o número de modos a serem transmitidos é grande, este irá ser demorado bem. Em contraste, a conjugação de fase digital óptico (DOPC) é considerado como sendorápido e vantajoso aqui, uma vez que apenas alguns pontos focais têm que ser gerado no faceta do MMF saída. Abordagens conjugação de fase também foram demonstradas para a focagem de imagem ou através do tecido biológico ^{12, 13, 14.}

Até agora, DOPC foi empregue para um único sinal de tempo ^de apenas ^{15, 16,} e foi aplicada para a transmissão de luz através de um MMF ^17. Uma abordagem DOPC para vários sinais independentes não foi realizado. Desenvolvemos um método de DOPC melhorada proporcionando o transporte independente de sinais de luz múltiplas utilizando frente de onda individuais que constituem para cada sinal que emprega uma única fase apenas SLM ^18. Para este objectivo, o SLM é segmentado em regiões, um para cada sinal a ser transmitido. A configuração experimental proposto é mostrado na Figura 1, Onde uma calibração é realizado em a), antes da transmissão efectiva acontece em b).

Figura 1: Instalação experimental. BS = divisor de feixe, CCD = charge-coupled device, OM = modulador óptico, CMOS = complementar semicondutor de óxido de metal, HWP = meia placa onda, L = lente, LP = polarizador linear, MMF = fibra multimodo, objetiva obj = microscópio, PBS = polarização divisor de feixe, SLM = modulador de luz espacial (fase única) - apenas vigas relevantes para (a) a calibração e (b) a transmissão são representados por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Protocolo

1. Montagem do Setup Experimental

1. Preparando o lado proximal
   1. Colocar e fixar o laser fornecer um feixe de luz colimada - ou usar um laser de fibra-acoplado com óptica de colimação na faceta de saída da fibra.
   2. Coloque o divisor de feixe de polarização (PBS) para dividir o feixe de laser para referência e feixe do objeto. Virar a orientação das placas de meia onda (HWP) rodando o HWP na sua rotação de montagem até que a energia de feixe de referência e feixe de objecto (no lado distal) é aproximadamente a mesma. Verifique isso colocando uma tela em ambos os de referência e feixe do objeto. Escolha da orientação do PBS, de forma que a polarização do feixe de referência se encaixa o modulador de luz espacial sensível à polarização (SLM).
   3. Coloque um divisor de feixe (BS) para o feixe de referência para dividir o feixe de referência em dois feixes. Coloque os moduladores ópticos (OM) de tal forma que estes dois feixes provenientes de BS1 podem passar OM1 e OM2, respectivamente.
   4. Combine os dois feixes que passam OM1 e OM2 em BS2 empregando dois espelhos. Ajuste os divisores de feixe e espelhos para que ambos os feixes são separados espacialmente.
   5. alinhar cuidadosamente BS5 para assegurar que a direcção de incidência de ambas as vigas é perpendicular ao plano de pixel da SLM, ignorando BS3 e BS4 em primeiro lugar. Em primeiro lugar, nada é apresentado na SLM, isto é, actua como um espelho, até ao final da calibração (em todo o passo 2).
   6. Ajustar a posição e a distância entre as duas lentes (L), que constitui um telescópio Kepler, a fim de obter uma imagem nítida do plano SLM na câmara complementar semicondutor de óxido metálico (CMOS). Assista a orientação correta de L1 e L2 (lados planos estão enfrentando uns aos outros) para minimizar aberrações.
2. Preparação do lado distal
   1. Use BS7 para dividir o feixe do objeto em dois feixes e combiná-los em BS8 empregando dois espelhos. Mais uma vez, ajuste os divisores de feixe e mirrors de modo que ambos os feixes estão espacialmente separadas.
   2. Desviar ambas as vigas usando BS9 para apontar-los para a objetiva do microscópio (OBJ). Focagem obj2 na extremidade distal da fibra multimodo (MMF). Verifique o foco observando o reflexo de volta do MMF empregando L3 e um dispositivo de câmara de carga acoplada (CCD).
3. Conexão proximal e distal
   1. Colimar a luz do feixe do objeto sair do MMF empregando Obj1.
   2. Dividir o feixe do objeto usando BS6, ignorar o polarizador linear (LP) em primeiro lugar. Combinar as duas vigas de objeto com as duas vigas de referência em BS3 e BS4 empregando um espelho. Ajustar os espelhos divisores de feixe e de modo que cada par de referência e feixe de objecto sobreposição na SLM, cruzando com um pequeno ângulo (inferior a 1 °).
   3. Assegure-se que a potência de referência e o feixe de objecto são aproximadamente iguais, rodando a orientação do HWP, de acordo com o passo 1.1.2.
   4. Verifique a interferência pattern (fora do eixo holograma) para a câmera CMOS e ajustar o ângulo de cruzamento em conformidade. Aumentar o ângulo, até que o espaçamento franja de interferência aproximadamente igual ao tamanho de dois pixels na câmara CMOS.
   5. Ajustar a orientação do LP para coincidir com a polarização do objecto e feixe de referência, a fim de obter um máximo contraste do padrão de interferência na imagem da câmara CMOS, de modo que a imagem da câmara mostra franjas distintas.

2. Calibração do Sistema

1. Calibrar a relação de pixel entre SLM e CMOS
   1. Iluminar toda a SLM utilizando apenas um dos feixes de referência e bloquear a outra referência e objetos vigas.
   2. Capturar uma imagem do SLM com a câmera CMOS.
   3. Obter as coordenadas do canto superior esquerdo da SLM na imagem da câmara CMOS, por exemplo, usando o software de gráficos e o cursor do mouse no PC. Use essas coordenadas de pixel como o ponto de origemsobre a SLM.
   4. Remova todos os blocos de feixe.
2. Calibrar os caminhos de sinal
   1. Bloquear tanto de referência da viga 2 e objeto feixe 2.
   2. Capturar uma imagem do holograma com a câmara CMOS. Avaliar a fase no holograma gravado usando o método espectro angular ^19. Calcula-se a fase invertida na região correspondente do feixe 1.
   3. Retirar os antigos blocos de feixe e agora bloquear tanto de referência da viga 1 e objeto feixe 1.
   4. Capturar uma imagem do holograma com a câmara CMOS. Medir a fase no holograma gravada usando o método espectro angular novamente. Calcula-se a fase invertida na região correspondente da travessa 2.
   5. Remova todos os blocos de feixe.

3. transmitir os sinais

1. Bloquear o feixe objeto.
2. Costurar as imagens de fase invertida calculados às regiões correspondentes do feixe 1 e 2 juntos e exibir otoda imagem na SLM, geralmente usando a porta de computação gráfica.
3. Comece a modulação dos sinais de entrada 1 e 2, ativando OM1 e OM2.
4. Observe os sinais de saída 1 e 2 na câmara CCD.

Resultados

Sinais de saída típica no lado distal da fibra longa de 2 m estão descritos na Figura 2. Note-se que o ponto focal desejado (pico) é acompanhado por um padrão de manchas indesejadas (background), o que é devido à imperfeição da DOPC como uma questão de princípio. O correspondente rácio de pico-a-fundo (PBR) ascende a 53 (apenas um sinal 1 é 'on'), 36 (apenas o sinal 2 é 'ligado') e 20 (ambos os sinais 1 e 2 são 'on') aqui, respectivamente . O PBR pode ser aumentada quand...

Discussão

A montagem do dispositivo experimental (passo 1 no protocolo) requer um alinhamento completa dos componentes ópticos em relação uns aos outros. O aspecto mais importante é a incidência rectangular dos feixes de referência para o SLM, a fim de assegurar um elevado PBR.

A fim de aumentar a configuração de mais de dois sinais transmitidos, pode ser utilizado divisores de feixe adicionais. Como uma alternativa, uma aplicação à base de fibras seria mais compacta e robusta permitindo que o sistema...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
modulador de luz espacial	Holoeye	PLUTO-VIS-016
câmera CMOS	Mikrotron	MC4082
laser de estado sólido bombeado por diodo	Laser Quantum	torus 532
câmera CCD	IDS	U3-3482LE-M CMOS	câmera; adequado também
lente 1	Qioptiq	G063204000
lente 2	Lente	G063203000
3	Thorlabs	AC508-180-A-ML
fibra multimodo	Thorlabs	M14L02
divisores de feixe	Thorlabs	BS013	9x
divisores de feixe polarizador	Thorlabs	PBS251
espelhos	Thorlabs	PF10-03-P01	5x
objetivas de microscópio	Thorlabs	RMS20X	2x
placas de meia onda	Thorlabs	WPH10M-532	2x
polarizador linear	Thorlabs	LPVISB050-MP2
moduladores ópticos	Thorlabs	MC2000B-EC	2x
linear e estágio de rotação para câmera CMOS	Thorlabs	XYR1/M
	Thorlabs	S120-SMA	2x
anel redutor para objetivas de microscópio	Qioptiq	G061621000	2x
ajuste xy para adaptadores de objetiva	Qioptiq	G061025000	2x
z suporte de translação para adaptador de fibra	Thorlabs	SM1Z	2x
hastes para alinhamento de fibra com objetivas	Qioptiq	G061210000	8x
montagens para lentes 1 e 2 mais duas montagens fantasmas	Qioptiq	G061047000	4x
transportadores ferroviários para montagens objetivas e objetivas	Qioptiq	G061372000	6x
trilho para transportadores ferroviários	Qioptiq	G061359000	2x
adaptador para câmera CCD para 1 poste			adaptador interno
para laser para 4 postes			interna
para lente 3	Thorlabs	LMR2/M
suportes para placas de meia onda	Thorlabs	RSP1D/M	2
suportes para espelhos	Thorlabs	KM100	5x
suporte para polarizador linear	Thorlabs	RSP05/M
suportes para divisores de feixe e SLM	Thorlabs	KM100PM/M	11x
braços de fixação para divisores de feixe e SLM	Thorlabs	PM4/M	11x
postes para suportes, suportes ferroviários e adaptadores	Thorlabs	TR75/M	29x
suportes para postes	Thorlabs	PH50/M	29x
pedestais para suportes	Thorlabs	BE1/M	29x
garfos de fixação para pedestais	Thorlabs	CF125	29x