파면 정형을 이용하여 광섬유를 통해 다중 신호 전송

Bioengineering

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Haufe, D., Koukourakis, N., Büttner, L., Czarske, J. W. Transmission of Multiple Signals through an Optical Fiber Using Wavefront Shaping. J. Vis. Exp. (121), e55407, doi:10.3791/55407 (2017).

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Abstract

다중 모드 광섬유를 통해 여러 개의 독립적 인 광 신호의 전송은 섬유 내의 전파 중에 광 왜곡을 보상하기 위해 파면 정형을 이용하여 달성된다. 우리의 방법은, 광 파면 개별적 변조기의 서로 다른 영역에서 변조 된 단일 공간 광 변조기, 광 신호 당 하나의 영역을 채용하는 디지털 광 위상 공액에 기초한다. 디지털 광 위상 공액 접근법 (예를 들어) 광섬유의 전파 동작의 완전한 결정이 수행되는 다른 파면을 형성하는 방법,보다 빠른 것으로 간주된다. 에만 광 신호 당 하나의 교정을 필요로하기 때문에 이와 대조적으로, 제시된 방법은 시간이 효과적이다. 제안 된 방법은 통신 공학 공간 분할 다중화 잠재적으로 적합하다. 또한 응용 분야, 특히 O를, 바이오 포토닉스에서 내시경 빛을 전달하다생체 조직에서 하나의 세포가 ptogenetics은 선택적으로 높은 공간 및 시간 해상도 조명한다.

Introduction

다중 모드 광섬유 (MMF)을 통한 다중 광 신호의 전송은 통신 기술 바이오 포토닉스 및 2에서 분명하다. 통신 공학, 공간 분할 다중화 (SDM)는 다수의 단일 모드 광섬유와 비교하여 제한된 공간의 활용도 혜택 장래 데이터 전송 애플리케이션을위한 광섬유의 전송 용량을 향상시키기 위해 가능한 해결책이 될 것으로 여겨진다 3. 바이오 포토닉스에서, 생물학적 시료는 MMF 내시경 (4)를 통해 광 투과에 의해 조작된다. 예를 들어, MMF 내시경을 이용하여 각각의 뉴런의 독립적 제어 광은 뇌 5 신경 네트워크를 연구하기 위해 optogenetics 대한 관심사이다. 그러나, MMF 입력면에 투사 된 빛이 outpu에 전파하는 동안 왜곡으로 인해 모드 혼합과 분산이 적용됩니다MMF를의 t 패싯. 결과적으로, 빛의 전파를 신호 전송 도전하게하는 변경된다.

파면을 형성하는 방법 (6), (7) 공간 광 변조기 (SLM)를 사용하여 미디어를 산란인가 의한 광의 전파 중에 8 산란으로 왜곡 보상을 가능하게한다. 광 피드백 9를 이용하여 출력을 최적화하는 반복적 인 방법이있다. 이러한 접근은 다소 시간이 있기 때문에 다수의 반복을위한 필요성과 높은 자유도 걸리는 모듈레이터 많은 요소에 대응한다. 또 다른 방법은 완전히 전송 행렬 (10)에 의해 설명 된 MMF 내의 왜곡을 결정하는 것이다. 전송하고자하는 모드의 개수가 큰 경우,이뿐만 아니라 시간이 소모 될 것이다. 반대로, 디지털 광 위상 공액 (DOPC)가되는 것으로 간주된다단지 소수의 초점 스팟 보낸 빠르고 여기 유리는 MMF의 출력면에서 발생해야한다. 위상 공액 접근법은 또한 생체 조직 (12, 13), (14)를 통해 포커싱 또는 이미징 입증되었다.

지금까지, DOPC 단일 시보 15, 16을 사용 하였다 및 MMF (17)을 통해 빛의 전송에 적용되었다. 다중 독립 신호용 DOPC 방식은 달성되지 않았다. 우리는 단일 위상 한정 SLM (18)를 이용하는 각각의 신호를 정형 개별 파면을 사용하여 다중 광 신호의 독립 송신을 제공하는 향상된 DOPC 방법을 개발 하였다. 이를 위해 상기 SLM은 각각의 신호에 대해 하나가 송신되는 영역들로 분할된다. 제안 된 실험 장치는 그림 1에 도시되어있다보정은 실제 전송에 앞서)가 수행된다) (B)에서 발생한다.

그림 1
그림 1 : 실험 설정. BS = 빔 스플리터, CCD = 전하 결합 소자, OM은 = 광 변조기, CMOS는 = 상보 형 금속 산화 반도체, HWP는 = 반파 장판, L = 렌즈, LP = 선형 편광자 MMF = 다중 모드 광섬유, OBJ = 현미경 대물, PBS = 빔 스플리터, SLM = 공간 광 변조기 편광 (위상 만 해당) - 도시되어있다 (a)는 교정 및 (b)에 전송에만 해당 빔 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Protocol

1. 실험 설정 조립

  1. 전방 측 준비
    1. 두고 평행 광선을 제공하는 레이저를 수정 - 또는 섬유의 출사면에서 시준 된 광학 섬유 결합 레이저를 사용한다.
    2. 기준 및 대상 빔으로 레이저 빔을 분할하는 편광 빔 스플리터 (PBS)를 넣는다. 기준 빔 (선단 측) 오브젝트 빔의 파워가 대략 동일 마운트까지의 회전에 HWP을 회전시킴으로써 반 파장 판 (HWP)의 방향을 설정. 참조 및 대상 빔 모두에 화면을 넣어이 옵션을 선택합니다. 기준 빔의 편광은 편광 성 공간 광 변조기 (SLM)에 맞도록 PBS의 방향을 선택한다.
    3. 두 개의 빔으로 참조광을 분할 기준 빔으로 빔 스플리터 (BS)를 넣는다. BS1에서 오는이 두 빔이 각각 OM1 및 OM2을 통과 할 수 있도록 광학 변조기 (OM)을 놓습니다. </ 리>
    4. 두 개의 거울을 사용 BS2에서 OM1 및 OM2을 통과하는 두 개의 빔을 결합합니다. 두 빔이 공간적으로 분리되도록 빔 스플리터와 거울을 조정합니다.
    5. 조심스럽게 두 빔의 입사 방향은 처음 픽셀은 SLM의 평면 무시 BS3 및 BS4에 수직하도록 정렬 BS5. 처음에는 아무것도 즉, SLM 상에 디스플레이되지 않으며, 그것은 (2 단계에 걸쳐) 교정 끝까지 거울처럼 동작한다.
    6. 위치 및 두 개의 렌즈 (L) 사이의 거리 상보 금속 산화물 반도체 (CMOS) 카메라의 SLM 평면의 선명한 이미지를 얻기 위해 케플러 망원경 구성을 조정한다. 수차를 최소화하기위한 L1 및 L2의 올바른 방향 (평탄면은 서로 대향된다)를 손목 시계.
  2. 말단 측 준비
    1. 두 개의 빔으로 물체 광을 분할하여 두 개의 거울을 이용하는 BS8 그들을 결합 BS7를 사용한다. 또, 빔 스플리터 및 MI를 조정두 빔들이 공간적으로 분리되도록 널 오 류.
    2. 현미경 목표 (OBJ)로 목표로 BS9를 사용하여 두 빔을 편향. 다중 모드 광섬유 (MMF)의 선단에 집중 OBJ2. L3 및 전하 결합 소자 (CCD) 카메라를 채용 MMF에서 다시 반사를 관찰함으로써 포커스를 확인한다.
  3. 연결 근위 및 원위 측면
    1. MMF를 채용 OBJ1 나오는 대상 빔으로부터의 광을 시준.
    2. 우선 선형 편광자 (LP)을 무시 BS6를 사용하여 물체 광을 분할. 참조 BS3에서 보와 BS4는 거울을 사용하는 모두 모두 대상 빔을 결합합니다. 빔 스플리터와 거울을 조정 있도록 작은 각도 (이하 1 °)와 교차하는 SLM의 기준 및 대상 빔 중첩의 각 쌍.
    3. 기준의 힘과 물체 빔의 HWP의 방향을 돌려 1.1.2 단계에있어서, 대략 동일한 지 확인합니다.
    4. 간섭 페이지를 확인attern 모스 카메라 (홀로그램 축 OFF)를 따라 교차 각도를 조정한다. 간섭 무늬의 간격은 대략 CMOS 카메라에 두 개의 화소의 크기에 달할 때까지의 각도를 증가시킨다.
    5. 카메라 이미지 뚜렷한 줄무늬 표시되도록 상기 CMOS 카메라 화상에서의 간섭 패턴의 최대 콘트라스트를 얻기 위해 객체 및 기준 빔의 편광과 일치하도록 LP의 방향을 조정한다.

2. 시스템 보정

  1. SLM 및 CMOS 픽셀 간의 관계를 보정
    1. 전용 기준 빔 중 하나를 사용하여 전체 SLM을 조명 블록은 다른 기준 빔과 오브젝트.
    2. 모스 카메라로 SLM의 이미지를 캡처.
    3. 그래픽 소프트웨어 및 PC의 마우스 커서를 이용하여 CMOS 카메라 화상에서의 SLM의 좌측 상단 모서리 등의 좌표를 얻을. 원점 이러한 픽셀 좌표를 사용하여은 SLM에.
    4. 모든 빔 블록을 제거합니다.
  2. 신호 경로 보정
    1. 모두 참조 빔 (2)와 객체 빔 (2)를 차단합니다.
    2. 모스 카메라 홀로그램 이미지를 캡처. 각 스펙트럼에있어서 (19)를 사용하여 기록 된 홀로그램의 위상을 평가한다. 빔 (1)의 해당 영역에서의 반전 된 위상을 계산한다.
    3. 전자 빔 블록을 제거하고 지금은 모두 참조 빔 1 개체 빔 1을 차단합니다.
    4. 모스 카메라 홀로그램 이미지를 캡처. 다시 각 스펙트럼 방법을 사용하여 기록 된 홀로그램의 위상을 측정한다. 빔 (2)의 해당 영역에서 반전 된 위상을 계산합니다.
    5. 모든 빔 블록을 제거합니다.

3. 신호를 전송

  1. 대상 빔 차단.
  2. 함께 빔 (1)과 (2)의 대응하는 영역에서 산출 된 위상 반전 이미지 스티칭 및 표시는 SLM에 전체 이미지는 일반적으로 컴퓨터 그래픽 포트를 사용.
  3. OM1 및 OM2를 활성화함으로써 입력 신호 (1) 및 (2)의 변조를 시작한다.
  4. CCD 카메라의 출력 신호들 (1)과 (2)를 관찰한다.

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Representative Results

2 m 길이의 섬유의 선단 측의 일반적인 출력 신호는도 2에 도시된다. 원하는 초점 지점 (피크) 원칙의 문제로 DOPC의 불완전 성 때문이다 원하지 않는 스펙 클 패턴 (배경), 동반합니다. 대응하는 피크 - 투 - 배경 비율 (PBR)이 53 금액, (36) 각각 여기에 (두 신호 1, 2 '에'있다 ()으로 만 신호 2 '에'있다), 20 (단독 신호 1 '에'입니다) . (: 1710 현재)을 사용 모드들의 더 많은 수를 지원하는 섬유 때 PBR은 증가 될 수있다.

도 3에 가시화 유한 PBR 출력 신호들 사이의 크로스 토크의 결과로 인해. -24 dB로 주파수 F1과 F2의 양의주기 신호 사이의 크로스 토크 (신호 (2)로부터 제 1 신호를 위해) 및 -29 dB는 (신호 1이 신호)이다.

ntent "FO : 유지-together.within 페이지 ="1 "> 그림 2
그림 2 : 원심 섬유 끝의 이미지, 출력 신호 1 (왼쪽), 신호 2 (중앙) 두 신호 1, 신호 2 (오른쪽)의 전송. 강도는 [프] 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
그림 3 : 전송 출력 신호 1 (왼쪽)과 2 (오른쪽)의 시간적 주파수 스펙트럼. 진폭 [프] 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

실험 장치 (프로토콜 단계 1)의 조립은 서로에 대한 상기 광학 구성 요소의 완전한 정렬을 필요로한다. 가장 중요한 목적은 높은 PBR을 보장하기 위해서 SLM 상으로 기준 빔의 입사 직사각형이다.

두 개 이상의 송신 된 신호에 대한 설정을 향상시키기 위하여, 추가적인 빔 스플리터가 사용될 수있다. 대안으로, 섬유 기반의 구현은보다 컴팩트 한 시스템은 바이오 포토닉스 시츄 수사 휴대용 수 있도록 견고하다. 단일 측면 액세스 가능한 경우에만, 모델 - 기반 보정 용액 (20)은 이후의 단계로 수행 될 필요가있다. 송신 된 신호보다 더 모드는 PBR을 달성하기위한 관련되어야 할 것이다 SLM 및 CMOS 카메라 모두 너무 이상의 픽셀을 요구한다. 또한, 화소 수 모드의 수보다 크거나 동일해야한다. 광고에서시 조건은 SLM의 화소 크기는 기단 측의 작은 반점 직경 크기의 두 배이어야한다. 이는 상기 SLM에 4 개 이상의 비트의 비트 깊이를 갖는 것이 권장된다. CMOS 붙이고 카메라의 화소 수는 SLM 픽셀의 수를 초과한다. 그러나, 임의의 다른 검출기 유형이 사용될 수있다 대신 CMOS 카메라, 디지털 카메라, 예를 들면 CCD. 동일은 CCD로 표시된 카메라를 보유하고있다.

제안 된 방법의 하나의 제한은 광원의 위상 측정에 필요한 홀로그램의 간섭을 보장하기 위해 큰 간섭 성 길이 (낮은 스펙트럼 대역폭)을 필요로한다는 것이다. 또한, 시스템은 안정 섬유 또는 교정과 송신 사이의 광학 설정의 변경이 빠른 현재의 1 이하 교정의 기간보다 것을 허용없는 즉한다. 장 섬유와 높은 신호 주파수에 대해, 상이한 섬유 모드의 군속도 분산을 갖는다고려되어야하고, 신호를 열화 할 수있다. 그 보상하기 위해, 경사 - 인덱스 섬유 또는 시공간 왜곡 (21)의 보정은 사용할 수있다.

이전 위상 공액 접근법과 대조적으로, 제안 SDM 방식은 독립된 광 신호가 송신되어야하는 애플리케이션에 사용될 수있다. 위상 공액의 방법은 반복적 인 방식 또는 전체 행렬의 결정에 비해, 시각 성능에 대하여 유리하다.

하나 더 잠재적 인 응용 분야는 광학 트랩이나 optogenetics에서 예를 들어 내시경 빛 전달 될 수있다. optogenetics 들어, 우리의 방법은 뇌의 움직임을 분석하고 더 신경 퇴행성 질환을 이해하기 위해 단일 뉴런의 선택적인 조명에 관한 유리하다.

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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

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References

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