Методическая статья

Передача нескольких сигналов по оптическому волокну с использованием Wavefront Shaping

DOI:

10.3791/55407

⸱

20 марта 2017 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

Мы демонстрируем передачу нескольких независимых сигналов через многомодовое волокно с использованием формирования волнового фронта с использованием одного пространственного модулятора света. Путем модуляции волнового фронта для каждого сигнала в отдельности передаются пространственно разделенные фокусы. Потенциальными приложениями являются мультиплексная передача данных в коммуникационной технике и эндоскопическая доставка света в биофотонике.

Аннотация

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

Передача нескольких независимых оптических сигналов через многомодовому волокну осуществляется с использованием волнового фронта формования с тем, чтобы компенсировать искажение света при распространении в волокне. Наша методика основана на цифровой оптической ОВФ с использованием только один пространственный модулятор света, где оптический волновой фронт индивидуально модулированный в различных регионах модулятора, один регион за световым сигналом. Цифровые методы оптического фазового сопряжения считаются быстрее, чем другие волнового фронта формирования подходов, когда (например) выполняется полное определение поведения распространения волны волокна. В отличие от этого, представленный подход времени эффективно, так как оно требует только один калибровочный каждого светового сигнала. Предлагаемый метод потенциально подходит для пространственного мультиплексирования с разделением в технике связи. Другие области применения являются эндоскопические доставки света в биофотонике, особенно в оptogenetics, где отдельные клетки в биологической ткани должны быть выборочно освещены с высоким пространственным и временным разрешением.

Введение

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

Передача нескольких световых сигналов через многомодового волокна (MMF) проявляется в инженерных коммуникаций 1 и биофотонике 2. В технике связи, пространственно-мультиплексирования с разделением (SDM), как полагают, является жизнеспособным решением для того, чтобы повысить пропускную способность оптических волокон для будущих приложений передачи данных выгоду от более эффективное использование ограниченного пространства, по сравнению с несколькими одномодовых волокон 3. В биофотонике, биологические образцы манипулируют светопередающих через ММФ эндоскопа 4. Например, независимый оптический контроль отдельных нейронов использованием MMF эндоскопы представляет интерес для оптогенетика с целью изучения нейронных сетей в мозге 5. Тем не менее, свет проецируется на вход ММФ фаской подвергается деформации вследствие смешивания мод и дисперсии при распространении к outpuт грань ММФ. В результате, распространение света изменяется, что делает передачу сигнала сложной задачей.

Wavefront методы формовки 6, 7 применяются в рассеивающих средах с использованием пространственных модуляторов света (SLM) и включить компенсации за искажения за счет рассеяния при распространении света 8. Есть итеративные подходы , которые позволяют оптимизировать вывод с использованием оптической обратной связи 9. Эти подходы довольно много времени из-за необходимости многочисленных итераций и высокой степенью свободы, что соответствует большому числу модуляторов элементов. Другой подход заключается в полностью определить искажения в пределах ММФ , описанной своей матрицей передачи 10. Если число мод, подлежащих передаче велик, это будет занимать много времени, а также. В отличие от этого, цифровой оптический фазовый конъюгации (ДОФХ) считаетсябыстро и выгодно Здесь, так как только несколько фокусных точек должны быть сформированы на выходной грани ММФ. Фазовые подходы конъюгации были также продемонстрированы для фокусировки или визуализации через биологические ткани 12, 13, 14.

До сих пор DOPC использовали для одного временного сигнала только 15, 16, и был применен для передачи света через ММФ 17. DOPC подход для нескольких независимых сигналов не было достигнуто. Мы разработали усовершенствованный метод DOPC , обеспечивающий независимую передачу нескольких световых сигналов с использованием индивидуального волнового фронта формируя для каждого сигнала , использующего однофазного только ОДС 18. С этой целью, ОДС сегментирован на области, по одному для каждого сигнала, подлежащего передаче. Предлагаемая экспериментальная установка изображена на рисунке 1, Где калибровка выполняется на стадии а) до фактической передачи происходит в б).

figure-introduction-1
Рисунок 1: Экспериментальная установка. BS = расщепитель луча, ПЗС = прибор с зарядовой связью, OM = оптический модулятор, CMOS = комплементарный металл-оксид-полупроводник, HWP = полуволна пластины, L = линза, LP = линейный поляризатор, ММФ = многомодового волокна, цель OBJ = микроскоп, PBS = поляризационный расщепитель луча, SLM = пространственный модулятор света (фаза только) - только соответствующие пучки для (а) калибровки и (б) передачи изображены Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Сборка экспериментальной установки

  1. Подготовка проксимальной стороны
    1. Поместите и закрепите лазер, обеспечивающий луч света - или использовать волоконно-связанных лазера с коллимационных оптики на выходе фаской волокна.
    2. Поместите поляризационный расщепитель луча (PBS), чтобы разделить лазерный луч в качестве ссылки и объектного пучка. Включите ориентацию полуволна пластин (ЗЛМ), вращая ВПТ в его вращения до монтажа мощность опорного пучка и объектного пучка (на дистальной стороне) не примерно одинакова. Проверьте это, помещая экран в обе ссылки и объектного пучка. Выберите ориентацию PBS так, что поляризация опорного луча соответствует чувствительный к поляризации пространственного модулятора света (SLM).
    3. Поместите светоделитель (BS) в опорный пучок, чтобы разделить опорный пучок на два пучка. Поместите оптические модуляторы (ОМ) таким образом, что эти два луча идущие от BS1 могут проходить OM1 и om2, соответственно.
    4. Объединить два луча, проходящие OM1 и om2 в BS2 с использованием двух зеркал. Отрегулируйте светоделителя и зеркала, так что оба пучка пространственно разделены.
    5. Тщательно выравнивать BS5, чтобы гарантировать, что направление падения обоих пучков перпендикулярно к пиксельной плоскости SLM, игнорируя BS3 и BS4 сначала. Во - первых, ничего не отображается на ПОМ, то есть он действует как зеркало до конца калибровки ( на протяжении стадии 2).
    6. Отрегулируйте положение и расстояние между двумя линзами (L), образующую кеплеровское телескоп для того, чтобы получить резкое изображение плоскости ОДС на комплементарный металло-оксидный полупроводник (CMOS) камеры. Смотрите правильную ориентацию L1 и L2 (плоские стороны обращены друг к другу), чтобы свести к минимуму аберрации.
  2. Подготовка дистальной стороне
    1. Используйте BS7 разделить объект луч на два луча и объединить их в BS8 с использованием двух зеркал. Опять же, настроить светоделителя и Миrrors так, что оба пучка пространственно разделены.
    2. Отклонить оба луча с помощью BS9, чтобы направлять их в объектив микроскопа (OBJ). Фокус obj2 на дистальном конце многомодового волокна (MMF). Проверьте фокусировку, наблюдая обратное отражение от ММФ L3 и с использованием устройства (CCD) камера с зарядовой связью.
  3. Подключение проксимальной и дистальной стороне
    1. Сколлимировать свет от объекта луча, выходящего из ММФ, использующую obj1.
    2. Разделить объект луча с использованием BS6, игнорировать линейный поляризатор (LP) в первую очередь. Объединить оба объекта балки с обеих опорных балок на BS3 и BS4 используя зеркало. Регулировка светоделители и зеркала так, что каждая пара эталонного и объектного пучка перекрывание на SLM, пересекающихся с малым углом (менее 1 °).
    3. Убедитесь в том, что мощность опорного и объектного пучка примерно равны поворотом ориентации ВПТ, согласно пункту 1.1.2.
    4. Проверьте помехи рattern (внеосевая голограммой) на камеру CMOS и отрегулировать угол пересечения соответственно. Увеличение угла, до тех пор пока расстояние интерференционных полос примерно не равен размеру двух пикселей на CMOS камеры.
    5. Отрегулировать ориентацию LP, чтобы соответствовать поляризации объектного и опорного луча, чтобы получить максимальный контраст интерференционной картины в изображении камеры CMOS, так что изображение камеры показывает различные интерференционные полосы.

2. Калибровка системы

  1. Калибровка пикселей соотношение между SLM и CMOS
    1. Осветить весь ОДС, используя только один из опорных балок и блокировать другие ссылки и объекты балок.
    2. Записать образ ПОМ с камерой CMOS.
    3. Получить координаты верхнего левого угла ОДС в изображении камеры CMOS, например с помощью графического программного обеспечения и курсор мыши на ПК. Используйте эти координаты пикселя в качестве точки происхожденияотносительно ПОМ.
    4. Удалить все блоки балки.
  2. Калибровка пути прохождения сигнала
    1. Блок как опорный луч 2 и объектный пучок 2.
    2. Захват изображения голограммы с камерой CMOS. Оценка фазы в записанной голограммы с использованием метода углового спектра 19. Вычислить инвертированный фазу в соответствующей области луча 1.
    3. Удалите прежние блоки балки и теперь блокировать как опорный луч 1 и объектный пучок 1.
    4. Захват изображения голограммы с камерой CMOS. Измерение фазы в записанном голограммы с использованием углового спектра методом снова. Вычислить инвертированный фазу в соответствующей области луча 2.
    5. Удалить все блоки балки.

3. передачи сигналов

  1. Блокировать объект луч.
  2. Вышивание вычисленные перевернутые фазовые изображения в соответствующих областях луча 1 и 2 вместе и отображениевсе изображение на SLM, как правило, с использованием компьютерной графики порта.
  3. Начало модуляции входных сигналов 1 и 2, активируя OM1 и om2.
  4. Обратите внимание на сигналы, выводимые 1 и 2 на ПЗС-камеры.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Типичные выходные сигналы на дистальной стороне длиной 2 м волокна изображены на рисунке 2. Обратите внимание, что желаемое фокусное пятно (пик) сопровождается нежелательному спекл (фон), что связано с несовершенством DOPC как в принципе. Соответствующее отношение пиковой мощности к фону (PBR) составляет 53 (только сигнал 1 'на'), 36 (только сигнал 2 'на') и 20 (оба сигнала 1 и 2 'на') здесь, соответственно, , СКД может быть увеличена, когда волокно, которое поддерживает...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Сборка экспериментальной установки (этап 1 в протоколе) требует тщательного выравнивания оптических элементов по отношению друг к другу. Наиболее важным аспектом является прямоугольным частота опорного пучков на SLM, чтобы обеспечить высокую PBR.

Для того чтобы повысить установку более двух передаваемых сигналов, могут быть использованы дополнительные светоделителей. В качестве альтернативы, волокно на основе реализации будет более компактной и надежной позволяет системе быть портативным для...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

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

Выражаем благодарность за финансовую поддержку DFG (Немецкий исследовательский фонд, проект CZ 55/30-1) для части этой работы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
пространственный модулятор светаHoloeyePLUTO-VIS-016
CMOS камераMikrotronMC4082
твердотельный лазер с диодной накачкойЛазер Quantumtorus 532
CCD камераIDSU3-3482LE-M CMOSкамера; подходит также
объектив 1QioptiqG063204000
объектив 2QioptiqG063203000
ThorlabsAC508-180-A-ML
ThorlabsM14L02
светоделителиThorlabsBS0139
поляризационных светоделителейThorlabsPBS251
зеркалаThorlabsPF10-03-P01
5 объективов микроскопаThorlabsRMS20X2x
полуволновые пластиныThorlabsWPH10M-5322x
линейный поляризаторThorlabsLPVISB050-MP2
оптические модуляторыThorlabsMC2000B-EC2x
линейный и поворотный столик для CMOS камерыThorlabsXYR1/M
оптоволоконный разъемThorlabsS120-SMAв 2 раза
Переходное кольцо для объективов микроскопаQioptiqG0616210002x
регулировка xy для адаптеров объективовQioptiqG0610250002x
крепление для переноса z для оптоволоконного адаптераThorlabsSM1Z2x
стержня для юстировки волокна с объективамиQioptiqG0612100008x
крепления для объективов 1 и 2 плюс два фантомных крепленияQioptiqG0610470004x
рельсовые держатели для креплений объективов и объективовQioptiqG0613720006x
рельсы для железнодорожных перевозчиковQioptiqG0613590002x
адаптер для ПЗС-камеры на 1 стойку
Собственный адаптер для лазера на 4 стойкиВнутреннее
крепление для объектива 3ThorlabsLMR2/M
крепления для полуволновых пластинThorlabsRSP1D/M2
крепления для зеркалThorlabsKM1005x
для линейного поляризатораThorlabsRSP05/M
крепления для светоделителей и SLMThorlabsKM100PM/M11x
зажимные рычаги для светоделителей и SLMThorlabsPM4/M11x
стойки для креплений, рельсовые держатели и адаптерыThorlabsTR75/M29x
держатели для столбовThorlabsPH50/M29x
пьедесталы для держателейThorlabsBE1/M29x
зажимные вилки для пьедесталовThorlabsCF12529x
объектив 3 многомодовые волоконные светоделители

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

Похожие статьи