Abstract
Överföringen av multipla oberoende optiska signaler genom en multimodfiber åstadkommes med användning av vågfront formning för att kompensera för den lätta distorsion under fortplantningen i fibern. Vår metodik är baserad på digital optisk faskonjugering utnyttjar endast en enda Spatial Light Modulator, där den optiska vågfronten är individuellt moduleras vid olika regioner i modulatorn, en region per ljussignal. Digital optisk faskonjugering metoder anses vara snabbare än andra vågfront forma strategier, där (till exempel) en fullständig bestämning av vågutbredningen beteende fibern utförs. Däremot är den presenterade tillvägagångssätt tidseffektivt eftersom det endast kräver en kalibrering per ljussignal. Den föreslagna metoden är potentiellt lämplig för geografisk division multiplexing i kommunikation teknik. Ytterligare användningsområden är endoskopisk ljus leverans i biofotonik, särskilt i optogenetics, där enskilda celler i biologisk vävnad måste selektivt belysas med hög spatial och temporal upplösning.
Introduction
Överföringen av flera ljussignaler genom en multimodfiber (MMF) är tydlig i kommunikation teknik 1 och biofotonik 2. I telekommunikationsteknik, är rymd division multiplexing (SDM) tros vara en hållbar lösning för att öka överföringskapaciteten av optiska fibrer för framtida dataöverföringsapplikationer som omfattas av en högre utnyttjande av det begränsade utrymmet, jämfört med flera singelmodfibrer 3. I biofotonik är biologiska prover manipuleras av ljusgenomsläpp genom en MMF endoskop 4. Till exempel, är den oberoende optisk reglering av individuella nervceller med hjälp av MMF endoskop av intresse för optogenetik för att studera neuronala nätverk i hjärnan 5. Men är ljuset projiceras på MMF ingångs aspekt omfattas av distorsion på grund av läget blandning och dispersion under utbredning till output aspekt av MMF. Som ett resultat, är ljusutbredning ändras, vilket gör signalöverföring utmanande.
Wavefront formningsmetoder 6, 7 tillämpas i spridnings media med Spatial Light modulatorer (SLM) och gör det möjligt för kompensation för den snedvridning på grund av spridning under ljusets utbredning 8. Det finns iterativa metoder som optimerar utgång med en optisk återkoppling 9. Dessa tillvägagångssätt är ganska tidskrävande på grund av behovet av ett stort antal iterationer och den höga graden av frihet, motsvarande ett stort antal modulator element. Ett annat tillvägagångssätt är att helt bestämma förvrängningen inom MMF beskrivs av sändningarna matris 10. Om antalet moder som skall sändas är stor, kommer detta att vara tidskrävande samt. Däremot är digital optisk faskonjugering (DOPC) anses varasnabb och fördelaktig här, eftersom endast ett fåtal brännpunkter måste genereras vid utgången aspekt av MMF. Faskonjugering tillvägagångssätt har även visats för fokusering eller avbildning genom biologisk vävnad 12, 13, 14.
Hittills har DOPC användes för en enda tidssignal endast 15, 16, och tillämpades för överföring av ljus genom en MMF 17. En DOPC tillvägagångssätt för flera oberoende signaler har inte uppnåtts. Vi har utvecklat en förbättrad DOPC metod som ger oberoende överföring av flera ljussignaler med individuell vågfront formning för varje signal som använder en enda fas endast SLM 18. För detta ändamål är SLM segmenteras i regioner, ett för varje signal som skall sändas. Den föreslagna experimentuppställning visas i figur 1, Där en kalibrering utförs i a) före den faktiska sändningen sker i b).
Figur 1: Experimental setup. BS = stråldelare, CCD = charge-coupled device, OM = optisk modulator, CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor, HWP = halv våg plattan, L = lins, LP = linjär polarisator, MMF = multimode fiber, OBJ = mikroskopobjektiv, PBS = polariserande stråldelare, SLM = (spatial Light modulator fas endast) - endast relevanta balkar för (a) kalibrering och (b) överföringen är avbildade klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Montering av experimentuppställning
- Framställning av den proximala sidan
- Placera och fixera lasern ger en kollimerad ljusstråle - eller använd en fiberkopplad laser med kollimationsoptik vid utloppet aspekt av fibern.
- Sätta den polariserande stråldelaren (PBS) för att dela upp laserstrålen i referens- och objektstrålen. Vrid orientering halv våg plattorna (HWP) genom att vrida på HWP i sin rotation montera tills strömmen referensstråle och objektstrålen (vid den bortre sidan) är ungefär densamma. Kontrollera detta genom att sätta en skärm i både referens och objektstrålen. Välja orienteringen av PBS, så att polarisationen av referensstrålen passar polarisationskänsliga Spatial Light Modulator (SLM).
- Sätta en stråluppdelare (BS) till referensstrålen att dela referensstrålen i två strålar. Placera optiska modulatorer (OM) så att dessa två strålar som kommer från BS1 kan passera OM1 och OM2, respektive. </ Li>
- Kombinera de två strålarna passerar OM1 och OM2 på BS2 sysselsätter två speglar. Justera stråldelare och speglar, så att båda balkarna är rumsligt separerade.
- Noggrant rikta BS5 för att säkerställa att riktningen för förekomst av båda strålarna är vinkelrät mot bildpunktsplanet av SLM, ignorerar BS3 och BS4 i början. Först visas ingenting på SLM, det vill säga, fungerar den som en spegel till slutet av kalibreringen (hela steg 2).
- Ändra placeringen och avståndet mellan två linser (L) som utgör en Keplerian teleskop för att få en skarp bild av SLM planet på den komplementära metalloxidhalvledar (CMOS) kamera. Titta på den korrekta orienteringen av L1 och L2 (plana sidor är vända mot varandra) för att minimera aberrationer.
- Framställning av den distala sidan
- Använd BS7 att dela objektstrålen i två strålar och kombinera dem på BS8 sysselsätter två speglar. Återigen, justera stråldelare och mirrors så att båda balkarna är rumsligt separerade.
- Böja båda strålarna med hjälp av BS9 för att sikta dem till mikroskopobjektivet (OBJ). Fokusera Obj2 på den distala änden av den multimode fiber (MMF). Kontrollera fokus genom att observera återreflektion från MMF anställa L3 och en charge-coupled device (CCD) kamera.
- Anslut proximala och distala sidan
- Kollimera ljuset från objektstrålen som lämnar MMF utnyttjar OBJ1.
- Split objektstrålen med hjälp av BS6, ignorera den linjära polarisatorn (LP) i början. Kombinera båda objektstrålar med båda referensstrålarna vid BS3 och BS4 som utnyttjar en spegel. Justera stråldelare och speglar, så att varje par av referens- och objektstrålen överlappning vid SLM, korsande med en liten vinkel (mindre än 1 °).
- Se till att strömmen av referens och objektstrålen är ungefär lika genom att vrida orienteringen av HWP, enligt steg 1.1.2.
- Kontrollera störningen pattern (off-axis hologram) i CMOS-kamera och justera skärningsvinkeln därefter. Öka vinkeln, tills störningen frans avståndet motsvarar ungefär storleken av två pixlar på CMOS-kamera.
- Justera orienteringen av LP för att matcha den polarisering av objektet och referensstrålen för att få en maximal kontrast hos interferensmönstret i CMOS-kamerabild, så att kamerabilden visar distinkta fransar.
2. Kalibrera systemet
- Kalibrera pixel förhållandet mellan SLM och CMOS
- Belysa hela SLM endast använda någon av de referensstrålar och blockera den andra referens och objekt balkar.
- Ta en bild av SLM med CMOS-kamera.
- Få koordinaterna för det övre vänstra hörnet av SLM i CMOS kamerabild, t ex med hjälp av grafikprogram och muspekaren på datorn. Använd dessa pixelkoordinater som utgångspunktom SLM.
- Avlägsna alla balkblock.
- Kalibrering av signalvägarna
- Blockera både referensstråle 2 och objektstrålen 2.
- Ta en bild av hologrammet med CMOS-kamera. Utvärdera fas i den inspelade hologrammet använder vinkel spektrum metod 19. Beräkna den inverterade fasen i den motsvarande regionen av balken 1.
- Ta bort de tidigare balkblocken och nu blockerar både referensstråle en och objektstrålen en.
- Ta en bild av hologrammet med CMOS-kamera. Mät fas i den inspelade hologrammet använder vinkel metod spektrum igen. Beräkna den inverterade fasen vid den motsvarande regionen av balken 2.
- Avlägsna alla balkblock.
3. sändning av signaler
- Blockera objektstrålen.
- Sy de beräknade inverterade fas bilder på motsvarande regioner av balken 1 och 2 tillsammans och visaHela bilden på SLM, typiskt med hjälp av datorgrafik port.
- Starta moduleringen av insignalerna 1 och 2 genom att aktivera OM1 och OM2.
- Observera utsignalerna 1 och 2 på CCD-kameran.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Typiska utsignaler vid den distala sidan av 2 m långa fibrer är avbildade i figur 2. Observera att den önskade fokalpunkten (topp) åtföljs av en oönskad fläckmönster (bakgrund), vilket beror på brist av DOPC som en principfråga. Motsvarande topp-till-bakgrundsförhållandet (PBR) uppgår till 53 (endast signal 1 är "på"), 36 (endast signal 2 är "på") och 20 (båda signalerna 1 och 2 är "på") här, respektive . PBR kan ökas när en fiber som stödjer ett stort antal lägen (för närvarande: 1710) används.
Grund av den ändliga PBR, en överhörnings resultat mellan utsignalerna, som åskådliggörs i figur 3. Överhörningen mellan två periodiska signaler med frekvenserna f1 och f2 uppgår till -24 dB (från signal två för att signalera en) och -29 dB (från signal 1 för att signalera 2).
ntent "fo: keep-together.within-page =" 1 ">
Figur 2: Bild av distala fiberände, överföring av utsignalen 1 (vänster), signal 2 (mitten) och både signal 1 och signal 2 (höger). Intensitet [au] Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: Temporal frekvensspektrum för den sända utsignalen 1 (vänster) och två (höger). Amplitude [au] Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Monteringen av experimentuppställning (steg 1 i protokollet) kräver en grundlig inriktning av de optiska komponenterna med avseende på varandra. Den viktigaste aspekten är den rektangulära förekomsten av referenstrålarna på SLM i syfte att säkerställa en hög PBR.
För att öka inställnings till mer än två utsända signaler skulle ytterligare stråldelare användas. Som ett alternativ skulle en implementering fiberbaserade vara mer kompakt och robust att systemet ska vara portabel i utredningar situ i biofotonik. Om en enda sida tillträde är möjligt endast modellbaserade kalibreringslösningar 20 måste åstadkommas som en framtida steg. Ju fler signaler sänds, kommer flera slag krävas så fler pixlar på både SLM och CMOS-kamera måste involveras för att uppnå en PBR. Vidare bör antalet pixlar vara större än eller lika med antalet steg. I annonssättning, bör pixelstorleken av SLM vara dubbelt så stor som den minsta fläckdiametern vid den proximala sidan. Det rekommenderas vidare att SLM har en bit djup på minst fyra bit. Pixel antalet kameran betecknas med CMOS bör överstiga antalet SLM pixlar. Men istället för CMOS-kamera någon annan detektor typ kan användas, t ex CCD. Detsamma gäller för den kamera som betecknas med CCD.
En begränsning hos den föreslagna metoden är att ljuskällan kräver en stor koherenslängd (låg spektral bandbredd) för att säkerställa inblandning i hologrammet behövs för fasmätningen. Dessutom måste systemet vara stabilt, dvs inga förändringar av fibern eller den optiska inställningen mellan kalibrerings och transmissionen är tolerabla som är snabbare än varaktigheten av kalibreringen, som för närvarande ligger under 1 s. För långa fibrer och höga signalfrekvenser har grupphastighetsdispersion av de olika fiberlägensom skall beaktas och kan försämra signalen. För att kompensera för det, kan gradient-index fibrer eller korrigering av Spatiotemporal snedvridningar 21 användas.
I motsats till tidigare faskonjugering metoder, kan vår föreslagna SDM metod användas i tillämpningar, där oberoende ljussignaler måste överföras. Faskonjugering metoder är fördelaktiga när det gäller punktlighet, jämfört med iterativa metoder eller komplett matris bestämning.
En ytterligare potential användningsområde kan vara endoskopisk ljus leverans, till exempel på optiska fällor eller i optogenetik. För optogenetik, är vår metod fördelaktig när det gäller den selektiva belysningen av enskilda neuroner för att analysera beteendet hos hjärnan och bättre förstå neurodegenerativa sjukdomar.
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).
