Abstract
Transmission af flere uafhængige optiske signaler gennem en multimode fiber opnås ved anvendelse af bølgefront formning for at kompensere for den lette forvrængning under formering inde i fiberen. Vores metode er baseret på digital optisk fase konjugation anvender kun en enkelt rumlig lysmodulator, hvor den optiske bølgefront er individuelt moduleret på forskellige områder af modulatoren, én region pr lyssignal. Digitale optiske fase konjugationsmetoder metoder anses for at være hurtigere end andre bølgefrontdata forme strategier, hvor (f.eks) udføres en fuldstændig bestemmelse af bølgeudbredelse opførsel af fiberen. I modsætning hertil er den præsenterede fremgangsmåde er tidseffektive da den kun kræver én kalibrering pr lyssignal. Den foreslåede metode er potentielt egnet for fysisk division multiplexing i kommunikation teknik. Yderligere anvendelsesområder er endoskopisk lys levering i biofotonik, især i optogenetics, hvor enkelte celler i biologisk væv der skal selektivt belyst med høj rumlig og tidsmæssig opløsning.
Introduction
Transmissionen af flere lyssignaler gennem en multimode fiber (MMF) er tydelig i kommunikation teknik 1 og biofotonik 2. I kommunikation engineering, er rum-division multiplexing (SDM) menes at være en holdbar løsning for at øge transmissionskapaciteten af optiske fibre til fremtidige dataoverførsel applikationer nyder godt af en højere udnyttelse af den begrænsede plads, sammenlignet med flere fibre single-mode 3. I biofotonik, er biologiske prøver manipuleret af lystransmitterende gennem en MMF endoskop 4. For eksempel er den uafhængige optiske kontrol af individuelle neuroner ved anvendelse MMF endoskoper er af interesse for optogenetics for at studere neuronale netværk i hjernen 5. Men den projiceres på MMF input facet lys er underlagt forvrængning grundet tilstand blanding og spredning under opformering til output facet af MMF. Som et resultat heraf bliver lysudbredelsen ændret, hvilket gør signal transmission udfordrende.
Wavefront forme metoder 6, 7 anvendes på spredning medier, der bruger rumlige lys modulatorer (SLM) og aktivere kompensation for forvrængning på grund af spredning i løbet af lys formering 8. Der er iterative metoder, som optimerer output ved hjælp af en optisk tilbagemeldinger 9. Disse tilgange er temmelig tidskrævende på grund af nødvendigheden af talrige iterationer og den høje grad af frihed, svarende til et stort antal modulator elementer. En anden metode er at helt bestemme fordrejning som MMF beskrevet af sin transmission matrix 10. Hvis antallet af tilstande, der skal transmitteres, er stor, vil dette være tidskrævende samt. I modsætning hertil er digitale optiske fase konjugering (DOPC), der anses for at værehurtig og fordelagtig her, eftersom kun få fokale pletter skal fremskaffes på outputtet facet af MMF. Er også blevet påvist fase konjugationsfremgangsmåder tilgange til fokusering eller billeddannelse gennem biologisk væv 12, 13, 14.
Hidtil DOPC blev ansat for en enkelt gang signal kun 15, 16, og blev anvendt til transmission af lys gennem en MMF 17. En DOPC tilgang til flere uafhængige signaler ikke er fuldført. Vi har udviklet en forbedret DOPC metode giver den uafhængige transmission af flere lyssignaler anvender individuel bølgefront forme for hvert signal ansætte en enkelt fase kun SLM 18. Til dette formål er SLM segmenteret i regioner, en for hvert signal, der skal transmitteres. Den foreslåede Forsøgsopstillingen er vist i figur 1Når en kalibrering udføres i a) før den egentlige transmission sker i b).
Figur 1: Eksperimentel opsætning. BS = beam splitter, CCD = charge-coupled device, OM = optisk modulator, CMOS = komplementær metal-oxid halvleder, HWP = halv bølge plade, L = linse, LP = lineær polarisator, MMF = multimode fiber, OBJ = mikroskop mål, PBS = polariseringsstrålespalteren, SLM = rumlig lysmodulator (fase kun) - kun relevante bjælker til (a) kalibrering og (b) videregivelsen er afbildet klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Montering af forsøgsopstillingen
- Klargøring den proximale side
- Placer og fastgør laseren giver en kollimeret lysstråle - eller bruge en fiber-koblede laser med collimation optik ved afgangen facet af fiberen.
- Sætte den polariserende strålesplitter (PBS) for at opdele laserstrålen i reference og objektstrålen. Drej orienteringen af de halve bølgeplader (HWP) ved at dreje HWP i dens rotation mount indtil strømmen af referencestrålen og objektstrålen (ved den distale side) er omtrent den samme. Tjek dette ved at sætte en skærm i både reference og objekt stråle. Vælg orienteringen af PBS, således at polariseringen af referencestrålen passer polarisationsfølsomme rumlige lysmodulator (SLM).
- Sætte en stråledeler (BS) i referencestrålen at opdele referencestrålen i to stråler. Placer de optiske modulatorer (OM), således at disse to stråler, der kommer fra BS1 kan passere OM1 og OM2 hhv. </ Li>
- Kombiner de to stråler passerer OM1 og OM2 på BS2 ansætte to spejle. Juster stråledelere og spejle, således at begge stråler er rumligt adskilt.
- Ret omhyggeligt BS5 at sikre, at retningen af forekomsten af begge stråler er vinkelret på pixel planet af SLM, ignorerer BS3 og BS4 først. I første omgang er intet vises på SLM, dvs., det virker som et spejl, indtil udgangen af kalibreringen (hele trin 2).
- Juster positionen og afstanden mellem to linser (L), der udgør en Kepler teleskop for at få et skarpt billede af SLM flyet på den komplementære metal-oxide semiconductor (CMOS) kamera. Se den korrekte orientering af L1 og L2 (flade sider vender mod hinanden) for at minimere aberrationer.
- Forberedelse af distale side
- Brug BS7 at opdele objektstrålen i to stråler og kombinere dem på BS8 anvender to spejle. Igen, justere strålesplittere og mirrors således at begge stråler er rumligt adskilt.
- Afbøje begge stråler hjælp BS9 at sigte dem til mikroskopobjektivet (OBJ). Fokus OBJ2 på den distale ende af multimode fiber (MMF). Kontrollere fokus ved at observere tilbage refleksion fra MMF anvender L3 og en ladningskoblet indretning (CCD) kamera.
- Tilslutning proximale og distale side
- Kollimere lyset fra objektet stråle forlader MMF beskæftiger OBJ1.
- Split objektet stråle ved hjælp BS6, ignorere den lineære polarisator (LP) i første omgang. Kombiner begge objekt bjælker med både reference- bjælker på BS3 og BS4 ansætte et spejl. Juster stråledelere og spejle, så hvert par af reference og objekt stråle overlap på SLM, skærer med en lille vinkel (mindre end 1 °).
- Sørg for, at strømmen af referencen og objektet stråle er omtrent lige ved at dreje orienteringen af HWP, ifølge trin 1.1.2.
- Tjek interferens pattern (off-axis hologram) på CMOS kamera og justere skæringspunktet vinkel tilsvarende. Øge vinklen, indtil forstyrrelserne interferenslinjeafstanden omtrent svarer til størrelsen på to pixels på CMOS kamera.
- Juster orienteringen af LP, der svarer til polarisering af objektet og referencestråle for at få en maksimal kontrast af interferensmønstret i CMOS kamerabilledet, så kameraet billede viser distinkte frynser.
2. Kalibrering af systemet
- Kalibrering af pixel relation mellem SLM og CMOS
- Belyse hele SLM kun ved hjælp af en af reference- bjælker og blokere den anden reference og objekter bjælker.
- Tage et billede af SLM med CMOS kamera.
- Få koordinaterne for det øverste venstre hjørne af SLM i CMOS kamera billedet, fx anvendelse grafik software og musen på PC. Brug disse pixelkoordinaterne som udgangspunktvedrørende SLM.
- Fjern alle beam blokke.
- Kalibrering af signalveje
- Bloker både referencestråle 2 og objekt stråle 2.
- Tage et billede af hologrammet med CMOS kamera. Vurdere fase i den optagede hologram hjælp kantet spektrum metode 19. Beregn den omvendte fase i den tilsvarende region af bjælken 1.
- Fjern de tidligere beam blokke og nu blokere både referencestrålen 1 og objektstrålen 1.
- Tage et billede af hologrammet med CMOS kamera. Mål fase i den optagede hologram hjælp vinkelspektrum metode igen. Beregn den inverterede fase på det tilsvarende område af bjælken 2.
- Fjern alle beam blokke.
3. Overførsel signalerne
- Blokere objektstrålen.
- Sætte billederne beregnede omvendte fase ved de tilsvarende regioner af bjælken 1 og 2 sammen og visehele billedet på SLM, typisk ved hjælp af computergrafik port.
- Start en graduering af input-signaler 1 og 2 ved at aktivere OM1 og OM2.
- Overhold udgangssignaler 1 og 2 på CCD-kameraet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Typiske udgangssignaler ved den distale side af 2 m lang fiber er afbildet i figur 2. Bemærk, at den ønskede brændpunktet (peak) er ledsaget af en uønsket speckle mønster (baggrund), hvilket skyldes ufuldkommenhed af DOPC som principielt. Den tilsvarende top-til-baggrund-forholdet (PBR) beløber sig til 53 (udelukkende signal 1 er 'på'), 36 (kun signal 2 er 'på') og 20 (begge signaler 1 og 2 er 'på') her, henholdsvis . Den PBR kan øges, når en fiber, der understøtter et større antal modes (pt: 1710) anvendes.
På grund af den begrænsede PBR, en krydstale resultater mellem de udgangssignaler, som er visualiseret på figur 3. Krydstale mellem periodiske signaler med frekvenserne f1 og f2 udgør -24 dB (fra signal 2 til signal 1) og -29 dB (fra signal 1 til signal 2).
ntent "fo: holde-together.within-side =" 1 ">
Figur 2: Billede af distal fiber ende, transmission af udgangssignal 1 (venstre), signal 2 (midten) og både signal 1 og signal 2 (højre). Intensitet [au] Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: Temporal frekvensspektrum af det transmitterede udgangssignal 1 (venstre) og 2 (højre). Amplitude [au] Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Samlingen af forsøgsopstillingen (trin 1 i protokollen) kræver en grundig tilpasning af de optiske komponenter i forhold til hinanden. Det vigtigste aspekt er den rektangulære forekomst af reference- bjælker onto SLM for at sikre en høj PBR.
For at øge opsætningen til mere end to transmitterede signaler, kan yderligere stråledelere anvendes. Som et alternativ, ville en fiber-baseret implementering være mere kompakt og robust tillader systemet at være bærbare til in situ undersøgelser i biofotonik. Hvis en enkelt-side adgang er kun mulig, modelbaserede kalibreringsopløsninger 20 skal gennemføres som en fremtidig skridt. Jo flere signaler transmitteres, vil flere transportformer kræves så flere pixel på både SLM og CMOS kamera skal inddrages for at opnå en PBR. Endvidere bør antallet af pixels være større end eller lig med antallet af tilstande. I annoncenbetingelse, bør pixelstørrelsen af SLM være dobbelt så stor som den mindste speckle diameter ved den proximale side. Det anbefales endvidere, at SLM har lidt dybde på mindst fire bit. Det antal pixel for kameraet betegnet med CMOS bør overstige antallet af SLM pixels. Men i stedet for CMOS kamera andre detektorer type kan anvendes, f.eks CCD. Det samme gælder for kameraet betegnet med CCD.
En begrænsning ved den foreslåede fremgangsmåde er, at lyskilden kræver et stort kohærenslængde (lav spektral båndbredde) for at sikre indblanding i hologrammet nødvendig for fasemålingen. Endvidere skal systemet være stabilt, dvs. ingen ændringer i fiber eller den optiske opstilling mellem kalibreringen og transmissionen kan tolereres, der er hurtigere end varigheden af kalibreringen, som i øjeblikket er under 1 s. For lange fibre og høje signalfrekvenser, gruppen hastighed spredning af de forskellige fibre tilstande harder skal tages i betragtning og kan forringe signalet. For at kompensere for det, kan gradient-indeks fibre eller korrektion af spatiotemporale forvridninger 21 anvendes.
I modsætning til tidligere fase konjugering tilgange, kan vores foreslåede SDM metode anvendes i applikationer, hvor uafhængige lyssignaler der skal overføres. Fase konjugation metoder er fordelagtige med hensyn til tid ydeevne, sammenlignet med iterative metoder eller komplet matrix beslutsomhed.
Et yderligere potentiale ansøgning felt kan være endoskopisk lys levering, for eksempel ved optiske fælder eller i optogenetics. For optogenetics, vores metode er fordelagtig med hensyn til selektiv belysning af enkelte neuroner for at analysere adfærden af hjernen og bedre forstå neurodegenerative sygdomme.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| spatial light modulator | Holoeye | PLUTO-VIS-016 | |
| CMOS camera | Mikrotron | MC4082 | |
| diode-pumped solid state laser | Laser Quantum | torus 532 | |
| CCD camera | IDS | U3-3482LE-M CMOS | camera; suitable as well |
| lens 1 | Qioptiq | G063204000 | |
| lens 2 | Qioptiq | G063203000 | |
| lens 3 | Thorlabs | AC508-180-A-ML | |
| multimode fiber | Thorlabs | M14L02 | |
| beam splitters | Thorlabs | BS013 | 9x |
| polarizing beam splitters | Thorlabs | PBS251 | |
| mirrors | Thorlabs | PF10-03-P01 | 5x |
| microscope objectives | Thorlabs | RMS20X | 2x |
| half wave plates | Thorlabs | WPH10M-532 | 2x |
| linear polarizer | Thorlabs | LPVISB050-MP2 | |
| optical modulators | Thorlabs | MC2000B-EC | 2x |
| linear and rotation stage for CMOS camera | Thorlabs | XYR1/M | |
| fiber connector | Thorlabs | S120-SMA | 2x |
| reducing ring for microscope objectives | Qioptiq | G061621000 | 2x |
| xy adjustment for objective adapters | Qioptiq | G061025000 | 2x |
| z translation mount for fiber adapter | Thorlabs | SM1Z | 2x |
| rods for fiber alignment to objectives | Qioptiq | G061210000 | 8x |
| mounts for lenses 1 and 2 plus two phantom mounts | Qioptiq | G061047000 | 4x |
| rail carriers for objective and lens mounts | Qioptiq | G061372000 | 6x |
| rail for rail carriers | Qioptiq | G061359000 | 2x |
| adapter for CCD camera to 1 post | in-house | ||
| adapter for laser to 4 posts | in-house | ||
| mount for lens 3 | Thorlabs | LMR2/M | |
| mounts for half wave plates | Thorlabs | RSP1D/M | 2 |
| mounts for mirrors | Thorlabs | KM100 | 5x |
| mount for linear polarizer | Thorlabs | RSP05/M | |
| mounts for beam splitters and SLM | Thorlabs | KM100PM/M | 11x |
| clamping arms for beam splitters and SLM | Thorlabs | PM4/M | 11x |
| posts for mounts, rail carriers and adapters | Thorlabs | TR75/M | 29x |
| holders for posts | Thorlabs | PH50/M | 29x |
| pedestals for holders | Thorlabs | BE1/M | 29x |
| clamping forks for pedestals | Thorlabs | CF125 | 29x |
References
- 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).
