Die Übertragung von mehreren Signalen über eine optische Faser Mit Wavefront-Shaping

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

Die Übertragung mehrerer unabhängiger optischer Signale durch eine Multimodenfaser verwendet geführt Wellenfrontformung, um die Licht Verzerrung während der Ausbreitung in der Faser zu kompensieren. Unsere Methode ist auf digitale optische Phasenkonjugation basierend nur einen einzigen räumlichen Lichtmodulator verwendet wird, wo die optische Wellenfront individuell an verschiedenen Bereichen des Modulators moduliert wird, eine Region pro Lichtsignal. Digitale optische Phasenkonjugation Ansätze gelten als schneller als andere Wellenfront Formungs Ansätze, wobei (beispielsweise) eine vollständige Bestimmung der Wellenausbreitungsverhalten der Faser durchgeführt wird. Im Gegensatz dazu ist der vorgestellte Ansatz zeiteffizient, da sie nur pro Lichtsignal eine Kalibrierung erforderlich ist. Das vorgeschlagene Verfahren ist potentiell geeignet für die räumliche Multiplex in der Kommunikationstechnik. Weitere Anwendungsfelder sind endoskopische Lichtabgabe in der Biophotonik, vor allem in optogenetics, wobei einzelne Zellen in biologischen Gewebe haben mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung selektiv beleuchtet werden.

Introduction

Die Übertragung von mehreren Lichtsignale über eine Multimode - Faser (MMF) ist offensichtlich in der Kommunikationstechnik 1 und Biophotonik 2. In der Kommunikationstechnik, Raummultiplex (SDM) wird angenommen, dass eine tragfähige Lösung zu sein, um die Übertragungskapazität von optischen Fasern für die zukünftige Datenübertragungsanwendungen von einer höheren Ausnutzung des begrenzten Raumes, im Vergleich zu mehreren Single-Mode-Fasern profitieren zu verbessern 3. In der Biophotonik werden biologische Proben , die durch lichtdurchlässige durch ein MMF Endoskop 4 manipuliert. Zum Beispiel ist die unabhängige optische Kontrolle der einzelnen Neuronen MMF Endoskope mit von Interesse für die Optogenetik , um neuronale Netzwerke im Gehirn 5 zu studieren. Jedoch ist das Licht projiziert auf die MMF Eingangsfacette unterworfen Verzerrung aufgrund Modus Mischen und Dispersion während der Ausbreitung auf die output Facette des MMF. Als Ergebnis wird die Lichtausbreitung ändert, die Signalübertragung herausfordernd ist.

Wavefront - Formgebungsverfahren 6, 7 sind in Streumedien unter Verwendung von Raumlichtmodulatoren (SLM) angelegt und die Kompensation für die Verzerrung ermöglichen aufgrund 8 während der Lichtausbreitung Streuung. Es gibt iterative Ansätze, die die Ausgabe unter Verwendung einer optischen Rückkopplung 9 optimieren. Diese Ansätze sind ziemlich zeitaufwendig aufgrund der Notwendigkeit für eine Vielzahl von Iterationen und der hohen Freiheitsgrad, entsprechend einer Vielzahl von Modulatorelementen. Ein weiterer Ansatz ist , um vollständig die Verzerrung innerhalb der durch seine Sendematrix 10 beschrieben MMF bestimmen. Wenn die Anzahl von Moden zu übertragenden groß ist, wird diese Zeit als auch raubend sein. Im Gegensatz dazu wird digitale optische Phasenkonjugation (DOPC) angesehen werdenschnell und vorteilhaft, da nur wenige Brennflecken haben an der Ausgangsfacette des MMF erzeugt werden. Phasenkonjugation Ansätze auch zum Fokussieren oder Abbildung durch biologisches Gewebe 12, 13, 14 gezeigt.

Bisher wurde DOPC für ein einziges Zeitsignal verwendet nur 15, 16, und wurde für die Übertragung von Licht durch eine MMF 17 angelegt. Ein DOPC Ansatz für mehrere unabhängige Signale zu lassen nicht umgesetzt. Wir haben eine verbesserte DOPC Verfahren bietet die unabhängige Übertragung mehrerer Lichtsignale mit einzelnen Wellenfront für jedes Signal eines einzelnen Phasen nur 18 SLM unter Verwendung der Gestaltung entwickelt. Zu diesem Zweck wird der SLM in Bereiche segmentiert, eines für jedes Signal gesendet werden. Die vorgeschlagene experimentelle Aufbau ist in Abbildung 1 dargestellt, Wobei eine Kalibrierung in a) vor der eigentlichen Übertragung durchgeführt wird, geschieht in b).

Abbildung 1
Abbildung 1: Versuchsaufbau. BS = Strahlteiler, CCD = charge-coupled device, OM = optischer Modulator, CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor, HWP = Halbwellenplatte, L = Linse, LP = linearen Polarisator, MMF = Multimode-Faser, OBJ = Mikroskopobjektiv, PBS = polarisierenden Strahlteiler, SLM = Spatial Light Modulator (Phase nur) - nur relevant Balken für (a) die Kalibrierung und (b) die Übertragung dargestellt werden Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Protocol

1. Montage des Versuchsaufbau

  1. Vorbereiten der proximalen Seite
    1. Platzieren und befestigen Sie den Laser mit einem gebündelten Lichtstrahls - oder verwenden Sie einen fasergekoppelten Laser mit Kollimationsoptik an der Austrittsseite der Faser.
    2. Setzen Sie den polarisierender Strahlteiler (PBS), um den Laserstrahl in Referenz- und Objektstrahl aufzuspalten. Drehen, die Orientierung der Halbwellenplatte (HWP), indem der HWP in seiner Drehung Drehhalterung, bis die Kraft der Referenzstrahl und Objektstrahl (an der distalen Seite) etwa gleich ist. Überprüfen Sie dies durch einen Bildschirm in beide Referenz- und Objektstrahl setzen. Wählen, um die Ausrichtung der PBS so daß die Polarisation des Referenzstrahls passt die polarisationsempfindliche räumlichen Lichtmodulator (SLM).
    3. Bringe einen Strahlteiler (BS) in den Referenzstrahl des Referenzstrahls in zwei Strahlen zu splitten. Platzieren Sie die optischen Modulatoren (OM), so dass diese beiden Strahlen von BS1 kommenden passieren kann OM1 und OM2 sind. </ Li>
    4. Kombinieren Sie die beiden Strahlen vorbei OM1 und OM2 bei BS2 Verwendung von zwei Spiegeln. Anpassen der Strahlteiler und Spiegel, so dass beide Strahlen räumlich getrennt sind.
    5. sorgfältig ausrichten BS5, um sicherzustellen, dass die Einfallsrichtung der beiden Strahlen auf die Pixelebene des SLM senkrecht, zu ignorieren BS3 und BS4 auf den ersten. Zunächst wird nichts auf dem SLM angezeigt werden , das heißt, es wirkt wie ein Spiegel , bis das Ende der Kalibrierung (in Schritt 2).
    6. Stellen Sie die Position und den Abstand zwischen den beiden Linsen (L), die eine Keplerian Teleskop, um ein scharfes Bild des SLM-Ebene auf der komplementären Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) -Kamera zu erhalten. Schauen Sie auf die richtige Ausrichtung von L1 und L2 (flachen Seiten einander zugewandt sind) Abbildungsfehler zu minimieren.
  2. Vorbereiten der distalen Seite
    1. Verwenden Sie BS7 den Objektstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt und kombinieren sie bei BS8 Verwendung von zwei Spiegeln. Auch hier stellen Sie die Strahlteiler und mirrors so daß beide Strahlen räumlich getrennt sind.
    2. Ablenken beide Strahlen BS9, sie zu dem Mikroskopobjektiv zu zielen (OBJ). Konzentrieren OBJ2 am distalen Ende der Multimodenfaser (MMF). Überprüfen Sie den Fokus durch die Rückreflexion von der MMF Beobachtung unter Verwendung L3 und eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) Kamera.
  3. Verbindungs proximalen und distalen Seite
    1. Kollimieren das Licht von der Objektstrahl die MMF Verwendung OBJ1 austritt.
    2. Teilen Sie den Objektstrahl BS6 verwenden, ignorieren Sie den linearen Polarisator (LP) auf den ersten. Kombinieren Sie beide Objektstrahlen mit beiden Referenzstrahlen auf BS3 und BS4 einen Spiegel verwendet wird. Anpassen der Strahlteiler und Spiegel, so daß jedes Paar von Referenz- und Objektstrahl Überlappung an der SLM mit einem kleinen Winkel schneiden (weniger als 1 °).
    3. Stellen Sie sicher, dass die Leistung des Referenz und der Objektstrahl annähernd gleich sind durch die Ausrichtung des HWP zu verdrehen, entsprechend 1.1.2 zu treten.
    4. Überprüfen Sie die Störung pattern (off-axis Hologramms) an der CMOS-Kamera und justieren Sie entsprechend den Schnittwinkel. Erhöhen Sie den Winkel, bis die Interferenzstreifenabstand in etwa die Größe von zwei Pixeln auf dem CMOS-Kamera entspricht.
    5. Passen Sie die Ausrichtung der LP die Polarisation des Objekt- und Referenzstrahl zu halten, um einen maximalen Kontrast des Interferenzmusters in der CMOS-Kamerabild zu erhalten, so dass das Kamerabild unterschiedliche Streifen zeigt.

2. Kalibrierung des Systems

  1. Kalibrieren des Pixel Beziehung zwischen SLM und CMOS
    1. Illuminate die gesamte SLM unter Verwendung nur eines der Referenzstrahlen und blockieren die anderen Referenz und Objekte Balken.
    2. Aufnehmen eines Bildes des SLM mit der CMOS-Kamera.
    3. Holen Sie sich die Koordinaten der oberen linken Ecke des SLM in der CMOS - Kamerabild, zum Beispiel Grafik - Software und mit der Maus auf dem PC. Verwenden Sie diese Pixelkoordinaten als Ursprungspunktüber den SLM.
    4. Entfernen Sie alle Balken blockiert.
  2. Kalibrieren der Signalwege
    1. Blockieren sowohl Referenzstrahl 2 und Objektstrahl 2.
    2. Aufnehmen eines Bildes des Hologramms mit der CMOS-Kamera. Bewerten Sie die Phase in dem aufgezeichneten Hologramm mit Winkelspektrum Verfahren 19. Berechne die invertierte Phase in dem entsprechenden Bereich des Balkens 1.
    3. Entfernen Sie die frühere Strahlenblöcke und blockieren nun beide Referenzstrahl 1 und Objektstrahl 1.
    4. Aufnehmen eines Bildes des Hologramms mit der CMOS-Kamera. Messen der Phase in dem aufgezeichneten Hologramm wieder Winkelspektrum-Verfahren. Berechne die invertierte Phase an dem entsprechenden Bereich des Balkens 2.
    5. Entfernen Sie alle Balken blockiert.

3. Übertragung der Signale

  1. Blockieren Sie den Objektstrahl.
  2. Nähen Sie die berechneten invertierten Phasenbilder in den entsprechenden Bereichen des Trägers 1 und 2 zusammen und zeigt diegesamte Bild auf dem SLM verwenden typischerweise den Computer Graphics Port.
  3. Starten Sie die Modulation der Eingangssignale 1 und 2 von OM1 und OM2 aktivieren.
  4. Beachten Sie die Ausgangssignale 1 und 2 auf der CCD-Kamera.

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Representative Results

Typische Ausgangssignale an der distalen Seite der 2 m lange Faser sind in Abbildung 2 dargestellt. Beachten Sie, dass die gewünschte Brennfleck (peak) durch eine unerwünschte Fleckenmuster begleitet wird (Hintergrund), die Unvollkommenheit der DOPC als grundsätzlich zurückzuführen ist. Die entsprechenden Peak-to-Hintergrund-Verhältnis (PBR) beläuft sich auf 53 (nur Signal 1 'auf'), 36 (nur Signal 2 'auf') und 20 (beide Signale 1 und 2 'auf') hier jeweils . Das PBR kann erhöht werden, wenn eine Faser, die eine größere Anzahl von Moden unterstützt (aktuell: 1710) verwendet wird.

Aufgrund der endlichen PBR, eine Übersprech Ergebnisse zwischen den Ausgangssignalen, die in Figur 3 sichtbar ist. Das Übersprechen zwischen periodischen Signalen mit den Frequenzen f1 und f2 beträgt -24 dB (aus dem Signal 2 Signal 1) und -29 dB (von Signal 1 2 zu signalisieren).

ntent "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figur 2
Abbildung 2: Bild des distalen Faserende, Übertragung des Ausgangssignals 1 (links), Signal 2 (Mitte) und sowohl das Signal 1 und Signal 2 (rechts). Intensity [au] Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3: Temporal Frequenzspektrum des übertragenen Ausgangssignal 1 (links) und 2 (rechts). Amplitude [au] Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

Der Zusammenbau des Versuchsaufbaus (Schritt 1 in dem Protokoll) erfordert eine sorgfältige Ausrichtung der optischen Komponenten in Bezug zueinander. Der wichtigste Aspekt ist die rechteckige Einfalls der Referenzstrahlen auf den SLM um eine hohe PBR zu gewährleisten.

Verwendet werden, um die Einrichtung zu mehr als zwei übertragenen Signale, zusätzliche Strahlteiler könnte zu verbessern. Als eine Alternative kann ein faserbasierte Implementierung wäre kompakter und robuster ist das System so dass für in Biophotonik in situ Untersuchungen tragbar sein. Wenn ein einseitiges Zugriff nur möglich ist, modellbasierte Kalibrierungslösungen 20 müssen als zukünftiger Schritt erreicht werden. Je mehr Signale übertragen werden, werden die mehr Modi sowohl so mehr Pixel auf dem SLM benötigt werden, und der CMOS-Kamera wird zur Erzielung einer PBR involviert zu sein. Darüber hinaus sollte die Anzahl der Bildpunkte größer als oder gleich der Anzahl der Moden. In der Werbunghinaus wird die Pixelgröße des SLM sollte das Doppelte der Größe des kleinsten Speckle Durchmesser an der proximalen Seite. Es wird ferner empfohlen, dass der SLM eine Bittiefe von mindestens vier Bit hat. Die Pixelzahl der Kamera mit CMOS bezeichnet sollte die Anzahl der SLM-Pixel nicht übersteigen. Jedoch kann anstelle der CMOS - Kamera andere Detektortyp verwendet werden kann, beispielsweise CCD. Das gleiche gilt für die Kamera mit CCD bezeichnet.

Eine Einschränkung des vorgeschlagenen Verfahrens ist, dass die Lichtquelle erfordert eine große Kohärenzlänge (geringe spektrale Bandbreite) Störungen in dem Hologramm für die Phasenmessung erforderlich sicherzustellen. Darüber hinaus muß das System stabil sein, dh es werden keine Veränderungen der Faser oder der optischen Einrichtung zwischen der Kalibrierung und der Übertragungs tolerierbar sind, die schneller ist als die Dauer der Kalibrierung, die unter 1 s gegenwärtig. Für lange Fasern und hohe Signalfrequenzen, hat die Dispersion der Gruppengeschwindigkeit der verschiedenen Fasermodenwerden berücksichtigt, und kann das Signal verschlechtern. Zu kompensieren, Gradienten-Index - Fasern oder die Korrektur von Verzerrungen Raum - Zeit 21 kann verwendet werden.

Im Gegensatz zu früheren Ansätzen Phasenkonjugation kann unsere vorgeschlagenen SDM-Verfahren in Anwendungen eingesetzt werden, in denen unabhängige Lichtsignale übertragen werden müssen. Phasenkonjugation Methoden sind vorteilhaft in Bezug auf Zeit, Leistung, im Vergleich zu iterative Ansätze oder vollständige Matrix Bestimmung.

Eine weitere potentielle Anwendungsgebiet kann die endoskopische sein Lichtabgabe, beispielsweise bei optischen Fallen oder in Optogenetik. Für Optogenetik unser Verfahren ist vorteilhaft in Bezug auf die selektive Beleuchtung von einzelnen Neuronen, um das Verhalten des Gehirns und neurodegenerativen Erkrankungen besser zu verstehen, zu analysieren.

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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

  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).

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