העברת אותות מרובים דרך סיב אופטי באמצעות Wavefront לעיצוב

Bioengineering

Your institution must subscribe to JoVE's Bioengineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations | Reprints and Permissions

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).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

העברת אותות אופטיים מרובים עצמאיים באמצעות סיב multimode מושגת באמצעות עיצוב חזית גל על ​​מנת לפצות על העיוות הקלה במהלך ההתפשטות בתוך הסיב. המתודולוגיה שלנו מבוססת על נטיית שלב דיגיטלית אופטי העסיקה רק מאפנן אור מרחבי יחיד, שבו חזית הגל האופטית מווסתת באופן פרטני על אזורים שונים של אפנן, באזור אחד לכל אות אור. גישות נטיית שלב אופטי דיגיטליות נחשבות מהר יותר מאשר גישות בעיצוב חזית גל שניות, שם (למשל) קביעה מלאה של התנהגות גל ההפצה של הסיבים מתבצעת. לעומת זאת, הגישה המוצגת היא זמן יעיל שכן הוא רק דורש כיול אחד לכל אות אור. השיטה המוצעת מתאימה פוטנציאלי עבור ריבוב חלוקת מרחבית בהנדסת תקשורת. שדות יישום נוספים הם משלוח האור אנדוסקופית ב Biophotonics, במיוחד optogenetics, שבו תאים בודדים ברקמות ביולוגיות צריכים להיות מואר באופן סלקטיבי עם רזולוציה גבוהה במרחב ובזמן.

Introduction

העברת אותות אור מרובים באמצעות סיב multimode (MMF) בא לידי ביטוי קומוניקציות הנדסיות 1 ו Biophotonics 2. בהנדסת תקשורת, ריבוב שטח החלוק (SDM) הוא האמין להיות פתרון בר קיימא על מנת לשפר את יכולת ההולכה של סיבים אופטיים עבור יישומי העברת נתונים עתידיים מרוויחה ניצול גבוה של השטח המוגבל, לעומת סיבים במצב יחיד מרובים 3. בשנת Biophotonics, דגימות ביולוגיות הן מניפולציות על ידי שידור האור דרך אנדוסקופ MMF 4. לדוגמא, השליטה האופטית העצמאית של נוירונים בודדים באמצעות אנדוסקופים MMF היא עניין של optogenetics כדי ללמוד רשתות נוירונים במוח 5. עם זאת, האור מוקרן על היבט קלט MMF כפוף עיוות עקב ערבוב במצב ופיזור במהלך התפשטות אל outpuהיבט t של MMF. כתוצאה מכך, התקדמות האור משתנה, מה שהופך אות השידור מאתגר.

Wavefront בעיצוב שיטות 6, 7 מיושמות פיזור מדיה באמצעות מאפנני אור מרחבים (SLM) ולאפשר פיצוי על העיוות בשל פיזור במהלך התקדמות אור 8. ישנן גישות איטרטיבי המביאות למרב את התפוקה באמצעות משוב אופטי 9. גישות אלה הן זמן רב למדי בגלל הצורך חזרות רבות ואת הרמה הגבוהה של חופש, מתאים למספר רב של אלמנטים אפננו. גישה נוספת היא לקבוע את העיוות לחלוטין בתוך MMF שתואר על ידי מטריקס התמסורת שלה 10. אם מספר מצבים להיות משודר הוא גדול, זה יהיה זמן רב גם כן. לעומת זאת, נטיית שלב דיגיטלית אופטי (dOPC) נחשבתמהיר יתרון כאן, מאז רק כמה מוקדי כתמים צריך להיווצר על היבט פלט של MMF. גישות נטיית שלב גם הוכחו למיקוד או הדמיה באמצעות רקמות ביולוגיות 12, 13, 14.

עד כה, dOPC הועסק אות פעם אחת בלבד 15, 16, ויושם להעברת אור דרך MMF 17. גישת dOPC עבור אותות עצמאיים רבים לא הושגה. פתחנו שיטת dOPC משופרת לספק את השידור העצמאי של אותות אור מרובים באמצעות חזית גל פרט בעיצוב עבור כל אות העסקת יחיד שלב בלבד SLM 18. למטרה זו, את SLM הוא מקוטע לתוך אזורים, אחד לכל אות להיות משודר. הגדרת הניסוי המוצעת מתוארת באיור 1, שבו הכיול מתבצע) לפני השידור בפועל קורה ב).

איור 1
איור 1: הגדרת ניסוי. BS = קרן splitter, CCD = מכשיר תשלום מצמיד, OM = אפנן אופטי, CMOS = metal-oxide semiconductor משלימה, HWP = חצי גל צלחת, L = עדשה, מקטב ליניארי LP =, סיבי multimode MMF =, מטרת OBJ = מיקרוסקופ, PBS = מקטב הקרן splitter, SLM = מאפנן אור מרחבים (שלב בלבד) - רק קורות רלוונטיים (א) הכיול (ב) ההעברה המתוארות אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. רכבת ההתקנה הניסיונית

  1. הכנתי בצד הפרוקסימלי
    1. מניחים ולתקן את לייזר מתן קרן קרני אור מקבילות - או להשתמש בלייזר בשילוב סיבים עם אופטיקה collimation על היבט היציאה של סיבים.
    2. שים ספליטר הקורה מקטב (PBS) לפצל את קרן הלייזר לתוך הפניה ו קרן האובייקט. סובבו את הכיוון של צלחות גל חצי (HWP) על ידי החלפה של HWP ברוטציה שלה הר עד כוח של קרן הייחוס קרן האובייקט (בצד הדיסטלית) הוא בערך אותו הדבר. בדוק זאת על ידי הצבת מסך לשני התייחסות קרן האובייקט. בחר את הכיוון של PBS כך הקיטוב של קרן ההתייחסות מתאים מאפנן אור מרחבי רגיש קיטוב (SLM).
    3. שים מפצל קרן (BS) לתוך קרן ההתייחסות לפצל את קורה ההתייחסות לשתי קורות. מניחים את מאפננים אופטיים (OM) כגון ששני אלה קורות המגיעים BS1 יכול לעבור OM1 ו OM2, בהתאמה. </ Li>
    4. מערבבים את שתי אלומות עובר OM1 ו OM2 ב BS2 העסקת שתי מראות. התאם את מפצלי הקרן ומראה כך קורות שניהם מופרדים מרחבית.
    5. בזהירות ליישר BS5 כדי להבטיח שהכיוון של שכיחות הן קורות הוא בניצב למישור פיקסל של SLM, התעלמות BS3 ו BS4 בהתחלה. בהתחלה, לא מוצג דבר על SLM, כלומר, היא פועלת כמו מראה עד סוף הכיול (בכל שלב 2).
    6. להתאים את המיקום ואת המרחק בין שתי עדשות (L) המהווים טלסקופ קפלרי על מנת לקבל תמונה חדה של מטוס SLM על metal-oxide semiconductor משלימה המצלמה (CMOS). צפה הכיוון הנכון של L1 ו- L2 (צדדים שטוחים הם פונים זה לזה) כדי למזער סטיות.
  2. הכנתי בצד הדיסטלי
    1. השתמש BS7 לפצל את קרן האובייקט לשתי קורות ולשלב אותם BS8 העסיק שתי מראות. שוב, להתאים את מפצלי קרן ותערובותrrors כך קורות שניהם מופרדים מרחבית.
    2. להסיט הוא קורה באמצעות BS9 לכוון אותם אל מטרת מיקרוסקופ (OBJ). פוקוס OBJ2 על הקצה הדיסטלי של סיבי multimode (MMF). בדוק את המיקוד על ידי התבוננות בהשתקפות בחזרה מן MMF העסקת L3 ומצלמה תשלום מצמידים מכשיר (CCD).
  3. הפרוקסימלי חיבור בצד הדיסטלי
    1. Collimate האור מן הקורה אובייקט היציאה OBJ1 העסקת MMF.
    2. פיצול קרן אובייקט באמצעות BS6, להתעלם מקטב ליניארי (LP) בהתחלה. שלב שני קורות האובייקט בשתי קורות ההתייחסות ב BS3 ו BS4 העסיק במראה. התאם את מפצלי הקרן ומראה כך שכל זוג של התייחסות חפיפת קרן עצם כלשהו על SLM, מצטלב עם זווית קטנה (פחות מ -1 °).
    3. ודאו שאספקת המתח של ההפניה ואת קרן האובייקט הם שווה בערך ידי סיבוב האוריינטציה של HWP, בהתאם לשלב 1.1.2.
    4. בדוק את ההפרעה pattern (מחוץ ציר הולוגרמה) אל מצלמת CMOS ולהתאים את זווית החיתוך בהתאם. הגדל את הזווית, עד ריווח שולי הפרעה בערך שווה לגודל של שני פיקסלים על מצלמת CMOS.
    5. לשנות את הכיוון של LP כדי להתאים את הקיטוב של אובייקט קרן התייחסות על מנת לקבל ניגוד מרבי של תבנית ההתאבכות בתמונת מצלמת CMOS, כך שתמונת המצלמה מראה בשולים ברורים.

2. כיול המערכת

  1. כיול ביחס פיקסל בין SLM ו- CMOS
    1. להאיר את כולו SLM להשתמש רק באחת קורה ההתייחסות ולחסום את ההתייחסות האחרת ואובייקטים קורים.
    2. צילום תמונה של SLM עם מצלמת CMOS.
    3. קבלת הקואורדינטות של בפינה השמאלית העליונה של SLM בתמונת מצלמת CMOS, למשל באמצעות תוכנת גרפיקת סמן העכבר על המחשב. השתמש קואורדינטות פיקסל אלה כנקודת המוצאלגבי SLM.
    4. הסר את כל קוביות הקורה.
  2. כיול אות הנתיבים
    1. חסום הן קרן התייחסות קרן 2 ואובייקט 2.
    2. צילום תמונה של ההולוגרמה עם מצלמת CMOS. להעריך בשלב ב בהולוגרמה רשמה בשיטת ספקטרום זוויתי 19. לחשב את השלב הפוך באזור המקביל קורה 1.
    3. הסר את קוביות קרן לשעבר ועכשיו לחסום את שתי קורות התייחסות קרן 1 ואובייקט 1.
    4. צילום תמונה של ההולוגרמה עם מצלמת CMOS. מדוד את השלב ב בהולוגרמה רשמה בשיטת ספקטרום זוויתי שוב. לחשב את השלב הפוך על האזור המקביל קרן 2.
    5. הסר את כל קוביות הקורה.

3. שידור האותות

  1. חסום את קרן האובייקט.
  2. לתפור את התמונות בשלב הפוכות מחושבות לפי האזורים המקבילים של קרן 1 ו -2 יחד ולהציג אתהתמונה כולה על SLM, בדרך כלל באמצעות יציאת גרפיקה ממוחשבת.
  3. הפעל את האפנון של אותות קלט 1 ו -2 על ידי הפעלת OM1 ו OM2.
  4. שימו לב אותות הפלט 1 ו -2 על מצלמת CCD.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

אותות פלט אופייניים בצד הדיסטלי של הסיבים הארוכים 2 מ 'מתוארים באיור 2. ראוי לציין, כי במקום מוקד הרצוי (שיא) מלווה דפוס רבב רצוי (ברקע), אשר בשל חוסר שלמות של dOPC כעניין של עיקרון. יחס שיא-רקע המקביל (PBR) מסתכם 53 (רק האות 1 הוא 'על'), 36 (רק האות 2 'מופעלת') ו -20 (שני אותות 1 ו -2 'מופעלת') כאן, בהתאמה . PBR יכול להתארך כאשר סיב התומך במספר רב יותר של מצבים (כיום: 1710) משמש.

בשל PBR הסופית, תוצאות crosstalk בין אותות הפלט, אשר דמיינה באיור 3. ערב הדיבור בין לאותות תקופתיים עם F1 תדרי f2 מסתכם -24 dB (מן האות 2 לאותת 1) ו -29 dB (מן האות 1 לאותת 2).

ntent "FO: keep-together.within-page =" 1 "> איור 2
איור 2: תמונה של סוף סיבים דיסטלי, העברת פלט אות 1 (משמאל), אות 2 (מרכז) ושניהם אות 1 ואת האות 2 (מימין). עוצמה [au] אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3
איור 3: ספקטרום תדרים זמני של אות המוצא המשודרת 1 (משמאל) ו -2 (מימין). Amplitude [au] אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

להרכבת הגדרת הניסוי (שלב 1 בפרוטוקול) דורשת התאמה יסודית של הרכיבים האופטיים עם כבוד זה לזה. ההיבט החשוב ביותר הוא השכיחות המלבנית של קורות הפניה על SLM כדי להבטיח גבוהה PBR.

על מנת לשפר את ההתקנה יותר משני אותות משודרים, מפצלי קרן נוספים יכולים לשמש. כחלופה, יישום מבוסס סיבים יהיה יותר קומפקטי וחזק המאפשרים למערכת להיות ניידת בחקירות באתרו Biophotonics. אם גישה אחת בצד אפשרית רק, פתרונות כיול מבוסס מודל 20 צריכים להיות מושלמים כצעד בעתיד. האותות יותר משודרים, המצבים יותר יידרשו כך יותר פיקסלים הוא SLM ומצלמת CMOS יצטרכו להיות מעורבים להשגת PBR. יתר על כן, מספר הפיקסלים צריך להיות גדול או שווה למספר מצבים. במודעהdition, גודל פיקסל של SLM צריך להיות פעמיים את גודל קוטר רבב הקטן בצד הפרוקסימלי. מומלץ עוד כי SLM יש עומק קצת קצת ארבעה לפחות. מספר הפיקסלים של המצלמה המצוינת עם CMOS יעלה את מספר הפיקסלים SLM. עם זאת, במקום את מצלמת CMOS כל סוג גלאים אחר יכול להיות מועסק, CCD למשל. הוא הדין המצלמה מצוינת עם CCD.

מגבלה אחת של השיטה המוצעת היא שמקור האור דורש אורך קוהרנטיות גדול (רוחב פס רפאים נמוך) כדי להבטיח התערבות בהולוגרמה הדרושים למדידת השלב. בנוסף, המערכת חייבת להיות יציבה, כלומר אין שינויים של הסיבים או ההתקנה האופטית בין הכיול וההעברה הם נסבלים כי הם מהירים יותר מאשר משך הכיול, אשר נמצא כעת מתחת ל -1 ים. עבור סיבים ארוכים ותדרי אות גבוהים, פיזור מהירות חבורה של מצבי סיבים השונים ישלהילקח בחשבון עלול להידרדר האות. כדי לפצות על זה, סיבי שיפוע-מדד או תיקון של עיוותים spatiotemporal 21 ניתן להשתמש.

בניגוד לגישות נטיית שלב קודם, שיטת SDM המוצעת שלנו יכולה לשמש ביישומים, שבו אותות אור עצמאיים צריכים להיות משודרים. שיטות נטיית פזה יתרון בנוגע לביצועי זמן, לעומת גישות איטרטיבי או קביעת מטריקס מלאה.

שדה יישום פוטנציאל נוסף אפשר כמסירת אור אנדוסקופית, למשל ב מלכודות אופטיות או optogenetics. לקבלת optogenetics, בשיטה שלנו יש יתרון לגבי תאורה סלקטיבית של נוירונים בודדים כדי לנתח את ההתנהגות של המוח ולהבין טוב יותר במחלות ניווניות.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Richardson, D. J., Fini, J. M., Nelson, L. E. Space-division multiplexing in optical fibres. Nat. Photonics. 7, (5), 354-362 (2013).
  2. 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).
  3. Winzer, P. J. Scaling optical fiber networks: Challenges and solutions. Opt. Photonics News. 26, (3), 28-35 (2015).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Philipp, K., et al. Volumetric HiLo microscopy employing an electrically tunable lens. Opt. Express. 24, (13), 15029-15041 (2016).
  7. 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).
  8. Vellekoop, I. M. Feedback-based wavefront shaping. Opt. Express. 23, (9), 12189-12206 (2015).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Cižmár, T., Dholakia, K. Exploiting multimode waveguides for pure fibre-based imaging. Nat. Commun. 3, 1027 (2012).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Hillman, T. R., et al. Digital optical phase conjugation for delivering two-dimensional images through turbid media. Sci. Rep. 3, UK. (2013).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Kim, M. K. Principles and techniques of digital holographic microscopy. SPIE Rev. 1, (1), 01800501-01800550 (2010).
  20. Gu, R. Y., Mahalati, R. N., Kahn, J. M. Design of flexible multi-mode fiber endoscope. Opt. Express. 23, (21), 26905-26918 (2015).
  21. Katz, O., Small, E., Bromberg, Y., Silberberg, Y. Focusing and compression of ultrashort pulses through scattering media. Nat. Photonics. 5, (6), 372-377 (2011).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics