Abstract
La transmisión de múltiples señales ópticas independientes a través de una fibra multimodo se logra usando conformación del frente de onda con el fin de compensar la distorsión de luz durante la propagación dentro de la fibra. Nuestra metodología se basa en la conjugación de fase óptica digital que emplea un único modulador espacial de luz, donde el frente de onda óptica se modula de forma individual en diferentes regiones del modulador, una región por señal luminosa. enfoques conjugación de fase óptica digitales son considerados para ser más rápido que otros métodos de frente de onda, donde la formación de (por ejemplo) se lleva a cabo una determinación completa del comportamiento de la propagación de la onda de la fibra. En contraste, el enfoque presentado es eficiente en el tiempo ya que sólo requiere una calibración por señal luminosa. El método propuesto es potencialmente adecuado para la multiplexación por división espacial en la ingeniería de las comunicaciones. Otros campos de aplicación son el suministro de luz endoscópica en biofotónica, especialmente en Optogenetics, donde las células individuales en el tejido biológico tienen que estar iluminados selectivamente con alta resolución espacial y temporal.
Introduction
La transmisión de múltiples señales de luz a través de una fibra multimodo (MMF) es evidente en las comunicaciones de ingeniería 1 y 2 biofotónica. En la ingeniería de las comunicaciones, la multiplexación por división espacial (SDM) se cree que es una solución viable con el fin de mejorar la capacidad de transmisión de fibras ópticas para aplicaciones de transferencia de datos futuros que se benefician de una mayor utilización de la limitación de espacio, en comparación con múltiples fibras monomodo 3. En biofotónica, las muestras biológicas son manipulados por transmisión de luz a través de un endoscopio MMF 4. Por ejemplo, el control óptico independiente de las neuronas individuales utilizando endoscopios MMF es de interés para la optogenética con el fin de estudiar las redes neuronales en el cerebro 5. Sin embargo, la luz proyectada sobre la faceta de entrada MMF está sujeta a la distorsión debido a la mezcla y el modo de dispersión durante la propagación de la Output faceta del MMF. Como resultado, la propagación de la luz se altera, lo que hace difícil la transmisión de señales.
De frente de onda métodos que configuran 6, 7 se apliquen en la dispersión de los medios de comunicación que utilizan moduladores espaciales de luz (SLM) y permiten la compensación por la distorsión debida a la dispersión durante la propagación de la luz 8. Hay métodos iterativos que optimizan la salida usando una realimentación óptica 9. Estos enfoques son más bien lento debido a la necesidad de numerosas iteraciones y el alto grado de libertad, que corresponde a un gran número de elementos moduladores. Otro enfoque es determinar completamente la distorsión en el MMF se describe por su matriz de transmisión 10. Si el número de modos a transmitir es grande, esto será mucho tiempo también. En contraste, la conjugación de fase óptica digital (DOPC) se considera que esrápido y ventajoso, ya que sólo unos pocos puntos focales deberán ser aportados en la cara de salida de la MMF. Enfoques conjugación de fase también se han demostrado para el enfoque o formación de imágenes a través de tejido biológico 12, 13, 14.
Hasta el momento, DOPC se empleó una única señal de tiempo de sólo el 15, 16, y se aplicó para la transmisión de luz a través de un FMM 17. Un enfoque DOPC para múltiples señales independientes no se ha logrado. Hemos desarrollado un método mejorado DOPC proporcionar la transmisión independiente de múltiples señales de luz de frente de onda utilizando individuo conformación para cada señal de empleo de una sola fase de sólo SLM 18. Para este objetivo, el SLM se segmenta en regiones, una para cada señal a transmitir. La configuración experimental propuesto se representa en la Figura 1, Donde se realiza una calibración en a) antes de la transmisión real ocurre en b).
Figura 1: Montaje experimental. BS = divisor de haz, CCD = dispositivo de carga acoplada, OM = modulador óptico, CMOS = semiconductor complementario de óxido metálico, PMR = la mitad de la placa de onda, L = lentes, LP = polarizador lineal, MMF = fibra multimodo, objetivo OBJ = microscopio, PBS = divisor de haz polarizante, el MST = modulador espacial de luz (fase única) - sólo vigas relevantes para (a) la calibración y (b) la transmisión están representados por favor haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Protocol
1. Montaje de la configuración experimental
- Preparación del lado proximal
- Colocar y fijar el láser emite un haz de luz colimada - o utilizar un láser de fibra acoplado con la óptica de colimación en la faceta de salida de la fibra.
- Poner el divisor de haz polarizante (PBS) para dividir el haz de láser en referencia y haz objeto. Girar la orientación de las placas de media onda (PMR) por la rotación de la PMR en su rotación de montaje hasta que la potencia de haz de referencia y haz objeto (en el lado distal) es aproximadamente la misma. Marque esta poniendo una pantalla en tanto referencia y haz objeto. Elige la orientación de la PBS de manera que la polarización del haz de referencia se ajusta a la modulador espacial de luz sensible a la polarización (SLM).
- Poner un divisor de haz (BS) en el haz de referencia para dividir el haz de referencia en dos haces. Coloque los moduladores ópticos (OM) tales que estos dos haces procedentes de BS1 pueden pasar OM1 y OM2, respectivamente. </ Li>
- Combinar los dos haces que pasan OM1 y OM2 en BS2 que emplea dos espejos. Ajustar los divisores de haz y espejos de manera que ambos haces están separados espacialmente.
- alinear cuidadosamente BS5 para asegurar que la dirección de incidencia de los dos haces es perpendicular al plano de píxeles del SLM, BS3 ignorar y BS4 al principio. Al principio, no aparece nada en el SLM, es decir, actúa como un espejo hasta el final de la calibración (a lo largo paso 2).
- Ajustar la posición y la distancia entre las dos lentes (L) que constituye un telescopio de Kepler con el fin de obtener una imagen nítida del plano de SLM en la cámara semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS). Ver la orientación correcta de la L1 y L2 (lados planos se enfrentan entre sí) para minimizar las aberraciones.
- Preparación del lado distal
- Utilice BS7 para dividir el haz de objeto en dos haces y combinarlos en BS8 que emplea dos espejos. Una vez más, ajustar los divisores de haz y mirrors de modo que ambos haces están separados espacialmente.
- Desvíe ambos vigas usando BS9 para apuntar que el objetivo del microscopio (OBJ). Enfoque OBJ2 en el extremo distal de la fibra multimodo (MMF). Comprobar el enfoque mediante la observación de la reflexión de retorno desde el MMF empleando L3 y un dispositivo de cámara de carga acoplada (CCD).
- Conexión proximal y distal
- Colimar la luz del haz de objeto que sale del MMF empleando OBJ1.
- Dividir el haz objeto utilizando BS6, ignorar el polarizador lineal (LP) en un primer momento. Combinar ambos haces de objeto con ambos haces de referencia en BS3 y BS4 empleando un espejo. Ajuste los divisores de haz y espejos de manera que cada par de referencia y la superposición haz de objeto en el SLM, cruzándose con un ángulo pequeño (menos de 1 °).
- Asegúrese de que el poder de la referencia y el haz objeto son aproximadamente iguales girando la orientación de la PMR, de acuerdo con el paso 1.1.2.
- Compruebe la interferencia pattern (holograma fuera de eje) en el CMOS de la cámara y ajustar el ángulo de intersección en consecuencia. Aumentar el ángulo, hasta que el espaciado de franjas de interferencia más o menos es igual al tamaño de dos píxeles de la cámara CMOS.
- Ajustar la orientación de la LP para que coincida con la polarización de objeto y del haz de referencia con el fin de obtener un contraste máximo de la figura de interferencia de la imagen de la cámara CMOS en, por lo que la imagen de la cámara muestra franjas distintas.
2. Calibración de la cadena
- La calibración de la relación de píxeles entre el MST y CMOS
- Iluminar toda la SLM utilizando sólo uno de los haces de referencia y bloquear la otra referencia y objetos vigas.
- Capturar una imagen del SLM con la cámara CMOS.
- Obtener las coordenadas de la esquina superior izquierda de la SLM la imagen de cámara CMOS en, por ejemplo, utilizando software de gráficos y el cursor del ratón en el PC. Utilice estas coordenadas en píxeles como el punto de origenen relación con el MST.
- Eliminar todos los bloques de la viga.
- Calibración de los caminos de la señal
- Bloquear tanto haz de referencia y el objeto 2 2 haz.
- Capturar una imagen del holograma con la cámara CMOS. Evaluar la fase en el holograma registrado utilizando el método de espectro angular 19. Calcular la fase invertida en la región correspondiente de la viga 1.
- Quitar los antiguos bloques de viga y ahora bloquear tanto haz de referencia 1 y el objeto viga 1.
- Capturar una imagen del holograma con la cámara CMOS. Medir la fase en el holograma grabado utilizando el método angular del espectro nuevo. Calcular la fase invertida en la región correspondiente de la viga 2.
- Eliminar todos los bloques de la viga.
3. transmisión de las señales
- Bloquear el haz objeto.
- Coser las imágenes de fase invertida calculados en las regiones correspondientes de la viga 1 y 2 juntos y mostrar latoda imagen de la SLM, por lo general mediante el puerto de gráficos por ordenador.
- Iniciar la modulación de las señales de entrada 1 y 2 mediante la activación de OM1 y OM2.
- Observe las señales de salida 1 y 2 de la cámara CCD.
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Representative Results
Señales de salida típica en el lado distal de la fibra larga 2 m se representan en la Figura 2. Tenga en cuenta que el punto focal deseada (pico) está acompañado por un patrón moteado no deseado (fondo), que se debe a la imperfección de la DOPC como una cuestión de principio. La correspondiente relación de pico a fondo (PBR) asciende a 53 (únicamente la señal 1 es 'on'), 36 (únicamente la señal 2 se encuentra encendida) y 20 (ambas señales 1 y 2 están en 'ON') aquí, respectivamente . El PBR se puede aumentar cuando una fibra que soporta un mayor número de modos: se utiliza (en la actualidad 1710).
Debido a la finita PBR, se produce una diafonía entre las señales de salida, que se visualiza en la Figura 3. La diafonía entre las señales periódicas con las frecuencias f1 y f2 asciende a -24 dB (a partir de la señal 2 a la señal 1) y -29 dB (a partir de la señal 1 a la señal 2).
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Figura 2: Imagen de extremo distal de la fibra, la transmisión de la señal de salida 1 (izquierda), la señal 2 (centro) y tanto la señal 1 y la señal 2 (derecha). Intensidad [au] Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: espectro de frecuencia temporal de la señal de salida transmitida 1 (izquierda) y 2 (derecha). Amplitud [au] Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
El montaje de la configuración experimental (paso 1 en el protocolo) requiere una alineación completa de los componentes ópticos con respecto a la otra. El aspecto más importante es la incidencia rectangular de los haces de referencia en el SLM con el fin de garantizar un alto PBR.
Con el fin de mejorar la configuración de más de dos señales de transmisión, se podrían utilizar divisores de haz adicionales. Como alternativa, una implementación basada en fibra sería más compacto y robusto que permite que el sistema sea portátil para investigaciones in situ en biofotónica. Si un acceso de un solo lado sólo es posible, soluciones de calibración basados en modelos 20 tienen que llevarse a cabo como un paso futuro. Las señales se transmiten más, los modos más serán necesarios para que más píxeles en tanto el MST y la cámara CMOS tendrá que estar involucrados para lograr una PBR. Por otra parte, el número de píxeles debe ser mayor que o igual que el número de modos. En anunciocondición, el tamaño de píxel del SLM debe ser dos veces el tamaño del diámetro más pequeño speckle en el lado proximal. Se recomienda, además, que el MST tiene una profundidad de bits de al menos cuatro bits. El número de píxeles de la cámara denotada con CMOS debe exceder el número de los píxeles del SLM. Sin embargo, en lugar de la cámara CMOS se puede emplear cualquier otro tipo de detector, por ejemplo CCD. Lo mismo vale para la cámara denotada con CCD.
Una limitación del método propuesto es que la fuente de luz requiere una longitud de coherencia grande (de bajo ancho de banda espectral) para asegurar la interferencia en el holograma necesario para la medición de fase. Además, el sistema debe ser estable, es decir, no hay cambios en la fibra o la configuración óptica entre la calibración y la transmisión son tolerables que son más rápidos que la duración de la calibración, que actualmente está por debajo de 1 s. Para las fibras largas y frecuencias altas de la señal, la dispersión de velocidad de grupo de los diferentes modos de fibra tienedeben tenerse en cuenta y se puede deteriorar la señal. Para compensar esto, se pueden usar fibras de gradiente de índice o la corrección de las distorsiones espacio-temporales 21.
En contraste con los enfoques conjugación de fase anterior, nuestro método propuesto SDM se puede utilizar en aplicaciones en las que las señales de luz independientes tienen que ser transmitidos. métodos de conjugación de fase son ventajosas respecto al rendimiento de tiempo, en comparación con los enfoques iterativos o determinación de matriz completa.
Uno de los campos más posible aplicación puede ser de suministro de luz endoscópica, por ejemplo en las trampas ópticas o en la optogenética. Para optogenética, nuestro método es ventajoso con respecto a la iluminación selectiva de las neuronas individuales con el fin de analizar el comportamiento del cerebro y entender mejor las enfermedades neurodegenerativas.
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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
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