Передача нескольких сигналов по оптическому волокну с использованием Wavefront Shaping

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

Передача нескольких независимых оптических сигналов через многомодовому волокну осуществляется с использованием волнового фронта формования с тем, чтобы компенсировать искажение света при распространении в волокне. Наша методика основана на цифровой оптической ОВФ с использованием только один пространственный модулятор света, где оптический волновой фронт индивидуально модулированный в различных регионах модулятора, один регион за световым сигналом. Цифровые методы оптического фазового сопряжения считаются быстрее, чем другие волнового фронта формирования подходов, когда (например) выполняется полное определение поведения распространения волны волокна. В отличие от этого, представленный подход времени эффективно, так как оно требует только один калибровочный каждого светового сигнала. Предлагаемый метод потенциально подходит для пространственного мультиплексирования с разделением в технике связи. Другие области применения являются эндоскопические доставки света в биофотонике, особенно в оptogenetics, где отдельные клетки в биологической ткани должны быть выборочно освещены с высоким пространственным и временным разрешением.

Introduction

Передача нескольких световых сигналов через многомодового волокна (MMF) проявляется в инженерных коммуникаций 1 и биофотонике 2. В технике связи, пространственно-мультиплексирования с разделением (SDM), как полагают, является жизнеспособным решением для того, чтобы повысить пропускную способность оптических волокон для будущих приложений передачи данных выгоду от более эффективное использование ограниченного пространства, по сравнению с несколькими одномодовых волокон 3. В биофотонике, биологические образцы манипулируют светопередающих через ММФ эндоскопа 4. Например, независимый оптический контроль отдельных нейронов использованием MMF эндоскопы представляет интерес для оптогенетика с целью изучения нейронных сетей в мозге 5. Тем не менее, свет проецируется на вход ММФ фаской подвергается деформации вследствие смешивания мод и дисперсии при распространении к outpuт грань ММФ. В результате, распространение света изменяется, что делает передачу сигнала сложной задачей.

Wavefront методы формовки 6, 7 применяются в рассеивающих средах с использованием пространственных модуляторов света (SLM) и включить компенсации за искажения за счет рассеяния при распространении света 8. Есть итеративные подходы , которые позволяют оптимизировать вывод с использованием оптической обратной связи 9. Эти подходы довольно много времени из-за необходимости многочисленных итераций и высокой степенью свободы, что соответствует большому числу модуляторов элементов. Другой подход заключается в полностью определить искажения в пределах ММФ , описанной своей матрицей передачи 10. Если число мод, подлежащих передаче велик, это будет занимать много времени, а также. В отличие от этого, цифровой оптический фазовый конъюгации (ДОФХ) считаетсябыстро и выгодно Здесь, так как только несколько фокусных точек должны быть сформированы на выходной грани ММФ. Фазовые подходы конъюгации были также продемонстрированы для фокусировки или визуализации через биологические ткани 12, 13, 14.

До сих пор DOPC использовали для одного временного сигнала только 15, 16, и был применен для передачи света через ММФ 17. DOPC подход для нескольких независимых сигналов не было достигнуто. Мы разработали усовершенствованный метод DOPC , обеспечивающий независимую передачу нескольких световых сигналов с использованием индивидуального волнового фронта формируя для каждого сигнала , использующего однофазного только ОДС 18. С этой целью, ОДС сегментирован на области, по одному для каждого сигнала, подлежащего передаче. Предлагаемая экспериментальная установка изображена на рисунке 1, Где калибровка выполняется на стадии а) до фактической передачи происходит в б).

Рисунок 1
Рисунок 1: Экспериментальная установка. BS = расщепитель луча, ПЗС = прибор с зарядовой связью, OM = оптический модулятор, CMOS = комплементарный металл-оксид-полупроводник, HWP = полуволна пластины, L = линза, LP = линейный поляризатор, ММФ = многомодового волокна, цель OBJ = микроскоп, PBS = поляризационный расщепитель луча, SLM = пространственный модулятор света (фаза только) - только соответствующие пучки для (а) калибровки и (б) передачи изображены Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Сборка экспериментальной установки

  1. Подготовка проксимальной стороны
    1. Поместите и закрепите лазер, обеспечивающий луч света - или использовать волоконно-связанных лазера с коллимационных оптики на выходе фаской волокна.
    2. Поместите поляризационный расщепитель луча (PBS), чтобы разделить лазерный луч в качестве ссылки и объектного пучка. Включите ориентацию полуволна пластин (ЗЛМ), вращая ВПТ в его вращения до монтажа мощность опорного пучка и объектного пучка (на дистальной стороне) не примерно одинакова. Проверьте это, помещая экран в обе ссылки и объектного пучка. Выберите ориентацию PBS так, что поляризация опорного луча соответствует чувствительный к поляризации пространственного модулятора света (SLM).
    3. Поместите светоделитель (BS) в опорный пучок, чтобы разделить опорный пучок на два пучка. Поместите оптические модуляторы (ОМ) таким образом, что эти два луча идущие от BS1 могут проходить OM1 и om2, соответственно. </ Li>
    4. Объединить два луча, проходящие OM1 и om2 в BS2 с использованием двух зеркал. Отрегулируйте светоделителя и зеркала, так что оба пучка пространственно разделены.
    5. Тщательно выравнивать BS5, чтобы гарантировать, что направление падения обоих пучков перпендикулярно к пиксельной плоскости SLM, игнорируя BS3 и BS4 сначала. Во - первых, ничего не отображается на ПОМ, то есть он действует как зеркало до конца калибровки ( на протяжении стадии 2).
    6. Отрегулируйте положение и расстояние между двумя линзами (L), образующую кеплеровское телескоп для того, чтобы получить резкое изображение плоскости ОДС на комплементарный металло-оксидный полупроводник (CMOS) камеры. Смотрите правильную ориентацию L1 и L2 (плоские стороны обращены друг к другу), чтобы свести к минимуму аберрации.
  2. Подготовка дистальной стороне
    1. Используйте BS7 разделить объект луч на два луча и объединить их в BS8 с использованием двух зеркал. Опять же, настроить светоделителя и Миrrors так, что оба пучка пространственно разделены.
    2. Отклонить оба луча с помощью BS9, чтобы направлять их в объектив микроскопа (OBJ). Фокус obj2 на дистальном конце многомодового волокна (MMF). Проверьте фокусировку, наблюдая обратное отражение от ММФ L3 и с использованием устройства (CCD) камера с зарядовой связью.
  3. Подключение проксимальной и дистальной стороне
    1. Сколлимировать свет от объекта луча, выходящего из ММФ, использующую obj1.
    2. Разделить объект луча с использованием BS6, игнорировать линейный поляризатор (LP) в первую очередь. Объединить оба объекта балки с обеих опорных балок на BS3 и BS4 используя зеркало. Регулировка светоделители и зеркала так, что каждая пара эталонного и объектного пучка перекрывание на SLM, пересекающихся с малым углом (менее 1 °).
    3. Убедитесь в том, что мощность опорного и объектного пучка примерно равны поворотом ориентации ВПТ, согласно пункту 1.1.2.
    4. Проверьте помехи рattern (внеосевая голограммой) на камеру CMOS и отрегулировать угол пересечения соответственно. Увеличение угла, до тех пор пока расстояние интерференционных полос примерно не равен размеру двух пикселей на CMOS камеры.
    5. Отрегулировать ориентацию LP, чтобы соответствовать поляризации объектного и опорного луча, чтобы получить максимальный контраст интерференционной картины в изображении камеры CMOS, так что изображение камеры показывает различные интерференционные полосы.

2. Калибровка системы

  1. Калибровка пикселей соотношение между SLM и CMOS
    1. Осветить весь ОДС, используя только один из опорных балок и блокировать другие ссылки и объекты балок.
    2. Записать образ ПОМ с камерой CMOS.
    3. Получить координаты верхнего левого угла ОДС в изображении камеры CMOS, например с помощью графического программного обеспечения и курсор мыши на ПК. Используйте эти координаты пикселя в качестве точки происхожденияотносительно ПОМ.
    4. Удалить все блоки балки.
  2. Калибровка пути прохождения сигнала
    1. Блок как опорный луч 2 и объектный пучок 2.
    2. Захват изображения голограммы с камерой CMOS. Оценка фазы в записанной голограммы с использованием метода углового спектра 19. Вычислить инвертированный фазу в соответствующей области луча 1.
    3. Удалите прежние блоки балки и теперь блокировать как опорный луч 1 и объектный пучок 1.
    4. Захват изображения голограммы с камерой CMOS. Измерение фазы в записанном голограммы с использованием углового спектра методом снова. Вычислить инвертированный фазу в соответствующей области луча 2.
    5. Удалить все блоки балки.

3. передачи сигналов

  1. Блокировать объект луч.
  2. Вышивание вычисленные перевернутые фазовые изображения в соответствующих областях луча 1 и 2 вместе и отображениевсе изображение на SLM, как правило, с использованием компьютерной графики порта.
  3. Начало модуляции входных сигналов 1 и 2, активируя OM1 и om2.
  4. Обратите внимание на сигналы, выводимые 1 и 2 на ПЗС-камеры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Типичные выходные сигналы на дистальной стороне длиной 2 м волокна изображены на рисунке 2. Обратите внимание, что желаемое фокусное пятно (пик) сопровождается нежелательному спекл (фон), что связано с несовершенством DOPC как в принципе. Соответствующее отношение пиковой мощности к фону (PBR) составляет 53 (только сигнал 1 'на'), 36 (только сигнал 2 'на') и 20 (оба сигнала 1 и 2 'на') здесь, соответственно, , СКД может быть увеличена, когда волокно, которое поддерживает большее количество режимов (в настоящее время: 1710) используется.

Из - за конечной PBR, A приводит перекрестные помехи между выходными сигналами, которая визуализируется на рисунке 3. Перекрестные помехи между периодическими сигналами с частотами f1 и f2 составляет -24 дБ (от сигнала 2 до сигнала 1) и -29 дБ (от сигнала от 1 до сигнал 2).

ntent "ВОК: Keep-together.within-страница =" 1 "> фигура 2
Рисунок 2: Изображение дистального конца волокна, передача выходного сигнала 1 (слева), сигнал 2 ( в центре) и как сигнал 1 и сигнал 2 (справа). Интенсивность [Au] Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3
Рисунок 3: Временной частотный спектр передаваемого выходного сигнала 1 (слева) и 2 (справа). Amplitude [Au] Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Сборка экспериментальной установки (этап 1 в протоколе) требует тщательного выравнивания оптических элементов по отношению друг к другу. Наиболее важным аспектом является прямоугольным частота опорного пучков на SLM, чтобы обеспечить высокую PBR.

Для того чтобы повысить установку более двух передаваемых сигналов, могут быть использованы дополнительные светоделителей. В качестве альтернативы, волокно на основе реализации будет более компактной и надежной позволяет системе быть портативным для исследований в точке в биофотонике. Если доступ к одной стороне возможно только, основанные на модели калибровочные растворы 20 должны быть выполнены в качестве будущего шага. Чем больше сигналы передаются, тем больше мод потребуется так больше пикселей на обоих ОДС и камерой CMOS должны быть вовлечены для достижения PBR. К тому же, количество пикселей должно быть больше или равно числу мод. В рекламеусловие, размер пикселя ОДС должен быть в два раза больше наименьшего диаметра спекл на ближней стороне. Кроме того, рекомендуется, что ОДС имеет битовую глубину по крайней мере, четыре бита. Пиксель номер камеры, обозначенном с CMOS должно превышать число пикселов SLM. Тем не менее, вместо того , чтобы камеры CMOS может быть использован любой другой тип детектора, например , ПЗС. То же самое справедливо и для камеры, обозначенном с CCD.

Одним из недостатков предложенного способа является то, что источник света требует большой длины когерентности (низкая спектральная ширина полосы) для обеспечения помех в голограмме, необходимой для измерения фазы. Кроме того, система должна быть стабильной, т.е. никаких изменений волокна или оптической настройки между калибровки и передачи не являются допустимыми, которые быстрее , чем длительность калибровки, которая в настоящее время менее 1 сек. Для длинных волокон и высоких частот сигнала, дисперсии групповой скорости различных мод волоконныхкоторые должны быть приняты во внимание, и может ухудшить сигнал. Чтобы компенсировать это, может быть использован ГРАДИЕНТНОГО волокна или коррекция искажений пространственно - временным 21.

В отличие от предыдущей фазы подходов конъюгации, предложенный нами метод SDM можно использовать в приложениях, где независимые световые сигналы должны передаваться. методы фазового сопряжения имеют преимущество относительно производительности времени, по сравнению с итеративных подходов или полного определения матрицы.

Еще одно потенциальное поле приложение может быть эндоскопическое доставки света, например, на оптических ловушек или в оптогенетика. Для оптогенетика, наш метод имеет преимущество в отношении селективного освещения отдельных нейронов для того, чтобы анализировать поведение головного мозга и лучше понять нейродегенеративные заболевания.

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