Abstract
Overføringen av flere uavhengige optiske signaler gjennom en flermodusfiber blir oppnådd ved anvendelse av bølgefront forming for å kompensere for den forvrengning lys under forplantning inne i fiberen. Vår metode er basert på digital optisk fasekonjugering som anvender bare en enkelt romlig lysmodulator, hvor den optiske bølgefronten er individuelt modulert på forskjellige regioner av modulator, en region pr lyssignal. Digital optisk fasekonjugering metodene vurderes å være raskere enn andre bølgefronten forme tilnærminger, hvor (for eksempel) en fullstendig bestemmelse av bølgeutbredelses oppførselen til fiberen er utført. I motsetning er presentert tilnærming tidseffektive siden det bare krever en kalibrering per lyssignal. Den foreslåtte metoden er potensielt passende for romlig multipleksing i kommunikasjon engineering. Ytterligere bruksområder er endoskopisk lys levering i biophotonics, spesielt i optogenetics, hvor enkeltceller i biologisk vev må være selektivt belyst med høy romlig og tidsmessig oppløsning.
Introduction
Overføringen av flere lyssignaler gjennom en multimode fiber (MMF) er tydelig i kommunikasjon engineering 1 og biophotonics 2. I kommunikasjonsteknikk, er plass delt multipleksing (SDM) antatt å være en levedyktig løsning for å øke overføringskapasiteten av optiske fibre for fremtidige data overføringsformål nyter godt av en bedre utnyttelse av den begrensede plass, sammenlignet med flere enkelt-modusfibre 3. I biophotonics, er biologiske prøver manipulert av lys som sender gjennom en MMF endoskop 4. For eksempel, er den uavhengig optisk kontroll av individuelle nevroner ved hjelp av MMF endoskop av interesse for optogenetics for å studere nevrale nettverk i hjernen 5. Imidlertid lyset projisert på MMF inngangs fasett er utsatt for forvrengning på grunn av modus blanding og dispersjonen under forplantning til output fasett av MMF. Som et resultat blir lys forplantning forandres, noe som gjør signaloverføring utfordrende.
Wavefront forme metoder 6, blir 7 brukt i spredning medier med romlige lysmodulatorene (SLM) og aktivere kompensasjon for forvrengning på grunn av spredning på lyset forplantning 8. Det er iterative tilnærminger som optimaliserer produksjonen ved hjelp av en optisk tilbakemelding 9. Disse fremgangsmåter er ganske tidkrevende på grunn av nødvendigheten av tallrike gjentakelser og den høye grad av frihet, tilsvarende et stort antall modulator- elementer. En annen tilnærming er å fullstendig bestemme forvrengningen i MMF beskrevet ved sin overføring matrise 10. Hvis antall modi som skal overføres, er stor, vil dette være tidkrevende også. I motsetning til dette er digital optisk fasekonjugering (DOPC) som anses å værerask og fordelaktig her, siden bare noen få fokale stedene må genereres på utgangen fasett av MMF. Fasekonjugering tilnærminger har også blitt demonstrert for fokusering eller avbildning gjennom biologisk vev 12, 13, 14.
Så langt, DOPC ble anvendt for en enkelt tidssignal bare 15, 16, og ble anvendt for overføring av lys gjennom en MMF 17. En DOPC tilnærming for flere uavhengige signaler som ikke har blitt oppnådd. Vi har utviklet en forbedret fremgangsmåte DOPC gi uavhengig overføring av flere lyssignaler ved hjelp av individuell bølgefront forming for hvert signal som anvender en enkelt fase-bare SLM 18. Til dette formål blir SLM segmentert i regioner, en for hvert signal som skal sendes. Den foreslåtte eksperimentelle oppsettet er vist i figur 1, Hvor en kalibrering utføres i a) før selve overføringen skjer i b).
Figur 1: Eksperimentell oppsett. BS = stråledeler, CCD = CCD, OM = optisk modulator, CMOS = Complementary Metal Oxide Semiconductor, HWP = halv bølge plate, L = linse, LP = lineær polarisator, MMF = multimode fiber, OBJ = mikroskop objektiv, PBS = polariserende stråledeler, SLM = romlig lys modulator (fase only) - bare relevante tømre (a) kalibrering og (b) overføring er avbildet klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Montering av Forsøksoppsett
- Klar proksimale siden
- Plasser og fikse laser gir en kollimert lysstråle - eller bruke en fiber-kombinert laser med collimation optikk ved utkjørselen fasett av fiber.
- Sette den polariserende strålesplitter (PBS) for å splitte laserstråle inn i referanse- og objektstråle. Snu retningen av halvbølgeplater (HWP) ved å dreie HWP i sin rotasjon montere inntil strømmen av referansestrålen og objektstrålen (ved den distale side) er omtrent den samme. Sjekk dette ved å sette en skjerm til både referanse og objektstrålen. Velge orienteringen av PBS, slik at polarisasjonen av referansestrålen passer polarisasjons-følsomme romlig lysmodulator (SLM).
- Sette en strålesplitter (BS) i referansestråle for å splitte referansestrålen i to bjelker. Plasser de optiske modulatorer (OM) slik at disse to stråler som kommer fra BS1 kan passere OM1 og OM2, henholdsvis. </ Li>
- Kombiner de to stråler som passerer OM1 og OM2 på BS2 ansette to speil. Juster stråledelere og speil, slik at begge bjelker er romlig separert.
- justere BS5 nøye for å sikre at retningen av forekomsten av begge bjelker er vinkelrett på bildeelement planet til SLM, ignorerer BS3 og BS4 først. Til å begynne med vises det ingenting på den SLM, dvs, virker det som et speil til slutten av kalibrerings (gjennom trinn 2).
- Juster posisjonen og avstanden mellom de to linser (L) som utgjør en Keplerian teleskop for å få et skarpt bilde av den SLM planet på Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) kamera. Se den riktige retningen på L1 og L2 (flate sidene mot hverandre) for å minimere avvik.
- Klar distal side
- Bruk BS7 å dele objektet strålen i to stråler og kombinere dem på BS8 anvendelse av to speil. Igjen, justere stråledelere og mirrors slik at begge bjelker er romlig separert.
- Avlede begge bjelker bruker BS9 å sikte dem for å mikroskop objektiv (OBJ). Fokus obj2 på den distale ende av flermodusfiberen (MMF). Sjekk fokus ved å observere tilbake refleksjon fra MMF ansette L3 og en CCD (CCD) kamera.
- Koble proksimale og distale side
- Kollimere lys fra objektet trålen som kommer ut av MMF anvendelse av obj1.
- Splitte objektstrålen ved hjelp BS6, ignorere lineær polarisator (LP) først. Kombiner både objekt bjelker med begge referanse bjelker på BS3 og BS4 ansette et speil. Juster stråledelere og speil, slik at hvert par av referanse- og objektstråle overlapping ved SLM, kryssende med en liten vinkel (mindre enn 1 °).
- Kontroller at strøm av referansen og objektstrålen er omtrent lik ved å dreie retningen på HWP, ifølge trinn 1.1.2.
- Sjekk forstyrrelser pattern (off-axis hologram) på CMOS kamera og justere krysset vinkelen tilsvarende. Øke den vinkel, inntil interferenslinjeavstanden omtrent tilsvarer størrelsen av to piksler på CMOS kamera.
- Juster retningen av LP å matche polarisasjonen av gjenstanden og referansestråle for å få en maksimal kontrast av interferensmønsteret i CMOS kamerabildet, slik at kamerabildet viser forskjellige frynser.
2. Kalibrering av systemet
- Kalibrering av piksel forholdet mellom SLM og CMOS
- Opplyse hele SLM ved hjelp av bare en av de referansestrålene og blokkere den annen referanse og objekter bjelker.
- Ta et bilde av SLM med CMOS-kamera.
- Få koordinatene til øvre venstre hjørne av SLM i CMOS kamerabildet, for eksempel ved hjelp av grafikk programvare og musepekeren på PCen. Bruk disse pikselkoordinater som opprinnelsesom SLM.
- Fjern alle bjelke blokker.
- Kalibrering av signalveier
- Blokkere både referansestrålen 2 og objektstrålen to.
- Ta et bilde av hologrammet med CMOS kamera. Vurdere fase i den innspilte hologrammet ved hjelp av vinkelspektrum metode 19. Beregn invertert fase i den tilsvarende område av bjelken 1.
- Fjern de tidligere stråle blokker og nå blokkere både referansestråle en og objektstrålen en.
- Ta et bilde av hologrammet med CMOS kamera. Mål fase i den innspilte hologrammet ved hjelp av vinkelspektrum metode igjen. Beregn invertert fase på tilsvarende område av bjelken 2.
- Fjern alle bjelke blokker.
3. overføre signaler
- Blokker objektstrålen.
- Sy de beregnede inverterte fase bildene på de tilsvarende delene av bjelke 1 og 2 sammen og visehele bildet på SLM, vanligvis ved hjelp av datagrafikk port.
- Start modulering av inngangssignalene 1 og 2 ved å aktivere OM1 og OM2.
- Observere utgangssignalene 1 og 2 på CCD-kameraet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Typiske utgangssignaler på den distale siden av 2 m lange fibre er avbildet i figur 2. Legg merke til at den ønskede brennpunktet (peak) er ledsaget av en uønsket flekkmønster (bakgrunn), som er på grunn av ufullkommenhet av DOPC som en prinsippsak. Den tilsvarende topp-til-bakgrunn ratio (PBR) utgjør 53 (kun signal 1 er «på»), 36 (kun signal 2 er "på") og 20 (begge signalene 1 og 2 er "på") her, henholdsvis . PBR kan økes når en fiber som støtter et større antall moduser (for tiden: 1710) blir anvendt.
På grunn av den endelige PBR, et krysstale resultater mellom utgangssignalene, som er anskueliggjort på figur 3. Crosstalk mellom periodiske signaler med frekvenser f1 og f2 utgjør -24 dB (fra signal 2 for å signalisere en) og -29 dB (fra signal en å signal 2).
ntent "fo: keep-together.within-page =" 1 ">
Figur 2: Bilde av distal fiber slutten, overføring av utgangssignal 1 (venstre), signal 2 (i midten) og både signal 1 og signal 2 (til høyre). Intensitet [au] Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: Temporal frekvensspekteret av det utsendte utgangssignalet en (venstre) og 2 (til høyre). Amplitude [au] Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Monteringen av det eksperimentelle oppsettet (trinn 1 i protokollen) krever en grundig justering av de optiske komponentene i forhold til hverandre. Det viktigste er den rektangulære forekomsten av referanse bjelker bort på SLM for å sikre en høy PBR.
For å forbedre oppsettet til mer enn to overførte signaler, kunne flere stråledelere brukes. Som et alternativ, kan en fiberbasert implementering være mer kompakt og robust slik at systemet å være bærbar for in situ undersøkelser i biophotonics. Hvis en enkelt-side tilgang er bare mulig, modellbaserte kalibreringsløsninger 20 må gjøres som en fremtidig trinn. Jo flere signaler som er overført, vil flere modi være nødvendig så flere piksler på både SLM og CMOS kamera må være involvert for å oppnå en PBR. Videre bør antallet bildeelementer som er større enn eller lik antall moduser. i annonsendition, bør antall piksler for SLM være dobbelt så stor som den minste flekkdiameteren ved den proksimale side. Det er videre anbefalt at SLM har litt dybde på minst fire bit. Den pikselantall kameraet merket med CMOS bør overstige antall SLM piksler. Men i stedet for CMOS kamera hvilken som helst annen type detektor kan anvendes, for eksempel CCD. Det samme gjelder for kameraet merket med CCD.
En begrensning av den foreslåtte metoden er at lyskilden krever en stor koherenslengde (lav spektral båndbredde) for å sikre forstyrrelser i hologrammet er nødvendig for fasemålingen. I tillegg må systemet være stabilt, dvs. ingen endringer i fiber eller de optiske oppsettet mellom kalibrerings og overføringen er tålelig som er raskere enn varigheten av kalibrerings, som for tiden er under 1 s. For lange fibre og høye signalfrekvenser, har gruppehastigheten dispersjon av de forskjellige fibermoduseneå bli tatt i betraktning og kan forringe signalet. For å kompensere for dette, kan gradient-indeksen fibre eller korrigering av tid og rom forvrengninger 21 brukes.
I motsetning til forrige fasekonjugering nærmer seg, kan vår foreslåtte SDM-metoden brukes i applikasjoner, hvor uavhengige lyssignaler må overføres. Fasekonjugering metoder er en fordel om time ytelse, sammenlignet med iterative metoder eller fullstendig matrise besluttsomhet.
En ytterligere potensiell anvendelse feltet kan være endoskopisk lette levering, for eksempel ved optisk feller eller i optogenetics. For optogenetics, er foreliggende fremgangsmåte fordelaktig med hensyn til selektiv belysning av enkelt neuroner for å analysere oppførselen til hjernen og en bedre forståelse av neurodegenerative sykdommer.
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.
- 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).
