Transmissie van meerdere signalen door middel van een optische vezel met behulp van Golffront 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

De transmissie van meerdere onafhankelijke optische signalen via een multimode vezel wordt uitgevoerd onder toepassing golffront vormen ter compensatie van de lichte vervorming tijdens de propagatie in de vezel. Onze methodiek is gebaseerd op de digitale optische fase vervoeging gebruik slechts een enkele ruimtelijke lichtmodulator, waar de optische golffront afzonderlijk in verschillende regio's van de modulator wordt gemoduleerd, één regio per lichtsignaal. Digitale optische faseconjugatie methoden worden als sneller dan andere benaderingen golffront vormen, waarbij (bijvoorbeeld) een volledige bepaling van de golfvoortplanting gedrag van de vezel uitvoerbaar is. In tegenstelling, de gepresenteerde benadering tijdbesparende aangezien het slechts één kalibratie per lichtsignaal vereist. De voorgestelde methode is potentieel geschikt voor ruimtelijke division multiplexing in communicatie-engineering. Verdere toepassingsgebieden zijn endoscopische licht levering in biofotonica, vooral in de optogenetics, waarin enkelvoudige cellen in biologisch weefsel selectief worden belicht met een hoge ruimtelijke en temporele resolutie.

Introduction

De overdracht van meerdere lichtsignalen door een multimode fiber (MMF) is duidelijk in communicatie-engineering 1 en biofotonica 2. In de communicatietechniek, wordt ruimte multiplexen (SDM) die geacht een levensvatbare oplossing om de transportcapaciteit van optische vezels voor toekomstige gegevensoverdracht toepassingen waarvoor een hogere gebruik van de beperkte ruimte, verbetering vergeleken met meerdere monomode vezels 3. In biofotonica, zijn biologische monsters gemanipuleerd door lichtdoorlatend door een MMF endoscoop 4. Bijvoorbeeld, de onafhankelijke optische controle van individuele neuronen via MMF endoscopen van belang voor optogenetics om neuronale netwerken te bestuderen in de hersenen 5. De licht geprojecteerd op de MMF ingang facet is onderworpen aan vervorming door mode menging en dispersie tijdens propagatie de Output facet van de MMF. Hierdoor wordt de lichtpropagatie veranderen, wat signaaloverdracht moeilijk maakt.

Wavefront vormgeven methoden 6, 7 worden toegepast in verstrooiing media met behulp van spatial light modulators (SLM) en schakel de compensatie voor de verstoring als gevolg van verstrooiing tijdens lichte propagatie 8. Er zijn iteratieve benaderingen die de uitgang met een optische feedback 9 optimaliseren. Deze benaderingen zijn tijdrovend vanwege de noodzaak van talrijke herhalingen en de grote mate van vrijheid, die overeenkomt met een groot aantal elementen modulator. Een andere benadering is om de vervorming binnen het door de transmissie matrix 10 MMF volledig te karakteriseren. Als het aantal toestanden te verzenden is groot, dit tijdrovend ook. Daarentegen wordt digitale optische faseconjugatie (DOPC) beschouwd alssnelle en hier voordelig, omdat slechts weinig focale vlekken moeten worden gegenereerd aan de uitgang facet van de MMF. Faseconjugatie benaderingen zijn ook aangetoond voor het focusseren of beeldvorming door middel van biologisch weefsel 12, 13, 14.

Tot dusver DOPC werd toegepast voor een tijdsignaal slechts 15, 16, en voor de transmissie van licht werd toegepast via een MMF 17. Een DOPC aanpak voor meerdere onafhankelijke signalen is nog niet volbracht. We hebben een verbeterde DOPC methode die de onafhankelijke transmissie van meerdere lichtsignalen met behulp van individuele golffront vormgeven voor elk signaal het gebruik van een enkel fase-single SLM 18 ontwikkeld. Hiertoe wordt de SLM gesegmenteerd in gebieden, één voor elke over te dragen signaal. De voorgestelde experimentele opstelling is weergegeven in figuur 1Wanneer een kalibratie wordt uitgevoerd in a) voor de eigenlijke overdracht gebeurt in b).

Figuur 1
Figuur 1: Experimentele setup. BS = bundelsplitser, CCD = ladingsgekoppelde inrichting, OM = optische modulator, CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor, HWP = halve golfplaat, L = lens, LP = lineaire polarisator, MMF = multimode vezel, OBJ = microscoop objectief, PBS = polariserende bundelsplitser, SLM = ruimtelijke lichtmodulator (fase only) - alleen relevant balken voor (a) de kalibratie en (b) de overdracht zijn afgebeeld klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Montage van de experimentele opstelling

  1. De voorbereiding van de proximale zijde
    1. Plaats en bevestig de laser die een gecollimeerde lichtstraal - of gebruik een gevezelde laser met collimatie optiek bij de uitgang facet van de vezel.
    2. Zet de polariserende bundelsplitser (PBS) om de laserbundel te splitsen in referentie- en objectbundel. Draai de oriëntatie van het halve golfplaten (HWP) door rotatie van de HWP in zijn rotatie gebruikt totdat de kracht van de referentiebundel en de voorwerpbundel (aan de distale zijde) ongeveer gelijk. Controleer dit door een scherm in het referentie- en het object balk. Kies de oriëntatie van de PBS zodat de polarisatie van de referentiebundel past de polarisatiegevoelige ruimtelijke lichtmodulator (SLM).
    3. Liep bundelsplitser (BS) in de referentiebundel naar de referentiebundel gesplitst in twee bundels. Plaats de optische modulatoren (OM) zodat deze twee bundels uit BS1 kan passeren OM1 en OM2 resp. </ Li>
    4. Combineer de twee bundels passeren OM1 en OM2 bij BS2 dienst twee spiegels. Stel de bundelsplitsers en spiegels zodat beide bundels ruimtelijk gescheiden.
    5. uitlijnen BS5 zorgvuldig zodat de richting van inval van beide bundels loodrecht op de pixel vlak van de SLM, negeren BS3 en BS4 aanvankelijk. Eerst wordt er niets op het SLM, dat wil zeggen, het werkt als een spiegel tot het einde van de kalibratie (tijdens stap 2).
    6. Stel de positie en de afstand tussen de twee lenzen (L) die een Kepler telescoop om een ​​scherp beeld van de SLM op het vlak Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) camera te halen. Bekijk de correcte oriëntatie van L1 en L2 (vlakke zijden tegenover elkaar) aberraties te minimaliseren.
  2. De voorbereiding van de distale zijde
    1. Gebruik BS7 de objectbundel gesplitst in twee bundels en combineren op BS8 dienst twee spiegels. Nogmaals, pas de balk splitters en mirrors zodat beide bundels ruimtelijk gescheiden.
    2. Afbuigen beide bundels met behulp BS9 om hen te streven naar de microscoop doelstelling (OBJ). Focus obj2 op het distale uiteinde van de multimode vezel (MMF). Controleer de scherpstelling en houdt de achterkant reflectie van de MMF gebruik L3 en een ladingsgekoppelde inrichting (CCD) camera.
  3. Aansluiten proximale en distale zijde
    1. Richt het licht van het object balk verlaten van de MMF dienst obj1.
    2. Splits de object balk met behulp van BS6, negeer de lineaire polarisator (LP) op het eerste. Combineer beide object balken met beide referentie-stralen bij BS3 en BS4 het gebruik van een spiegel. Stel de bundelsplitsers en spiegels zodat elk paar referentie en balk object overlap de SLM, doorsnijdt een kleine hoek (minder dan 1 °).
    3. Zorg ervoor dat de macht van de referentie en de object balk ongeveer gelijk zijn door het draaien van de oriëntatie van de HWP, volgens stap 1.1.2.
    4. Controleer de storing pattern (off-axis-hologram) aan de CMOS-camera en dienovereenkomstig aan te passen de kruising hoek. Verhoog de hoek, totdat de interferentierand tussenruimte ongeveer gelijk aan de grootte van twee pixels van de CMOS-camera.
    5. Stel de oriëntatie van de LP om de polarisatie van het object en referentie-bundel te passen met het oog op een maximaal contrast van het interferentiepatroon imago van de CMOS-camera in te krijgen, zodat het camerabeeld toont duidelijke franjes.

2. Het kalibreren van de System

  1. Het kalibreren van de pixel relatie tussen SLM en CMOS
    1. Verlichten de hele SLM slechts één van de referentiebundels en blokkeren de andere hand en objecten balken.
    2. Leg een afbeelding van de SLM met de CMOS camera.
    3. Haal de coördinaten van de linkerbovenhoek van de SLM imago van de CMOS-camera in, bijvoorbeeld met behulp van grafische software en de muiscursor op de PC. Gebruik deze pixel coördinaten als het punt van oorsprongover de SLM.
    4. Verwijder al balksloffen.
  2. Kalibreren van de signaalwegen
    1. Blokkeer beide referentiebundel 2 en object beam 2.
    2. Leg een beeld van het hologram met de CMOS-camera. Evalueer de fase in het hologram opgenomen met behulp hoekspectrum methode 19. Bereken de omgekeerde fase van het overeenkomstige gebied van de balk 1.
    3. Verwijder de voormalige balksloffen en nu te blokkeren zowel referentie bundel 1 en object beam 1.
    4. Leg een beeld van het hologram met de CMOS-camera. Meet de fase van het hologram opgenomen met behulp hoekspectrum werkwijze weer. Bereken de omgekeerde fase bij het overeenkomstige gebied van de balk 2.
    5. Verwijder al balksloffen.

3. Het overbrengen van de Signals

  1. Blokkeer de object balk.
  2. Steek de berekende omgekeerde fase opnamen worden aan de overeenkomstige gebieden van de balk 1 en 2 samen en weergevenhele beeld op de SLM, meestal met behulp van de computer graphics port.
  3. Start de modulatie van de ingangssignalen 1 en 2 door het activeren OM1 en OM2.
  4. Neem de uitgangssignalen 1 en 2 op de CCD camera.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Typische uitgangssignalen aan de distale zijde van 2 m lange vezels zijn weergegeven in figuur 2. Merk op dat de gewenste brandpunt (piek) gaat gepaard met een ongewenste speckle patroon (achtergrond), die het gevolg is van de onvolmaaktheid DOPC als principieel. De bijbehorende piek-tot-achtergrond ratio (PBR) bedraagt ​​53 (enkel signaal 1 is 'op'), 36 (enkel signaal 2 op 'on') en 20 (beide signalen 1 en 2 zijn 'on') hier, respectievelijk . De PBR kan worden verhoogd wanneer een vezel die een groter aantal modi ondersteunt (momenteel 1710) gebruikt.

Vanwege het eindige PBR, overspraak resultaten tussen de uitgangssignalen, die gevisualiseerd in figuur 3. De overspraak tussen twee periodieke signalen met de frequenties f1 en f2 bedraagt ​​-24 dB (van signaal 2 aan te geven 1) en -29 dB (signaal van 1 tot signaal 2).

ntent "fo: keep-together.within-page =" 1 "> Figuur 2
Figuur 2: Beeld van distale vezeluiteinde, overdracht van het uitgangssignaal 1 (links), signaal 2 (midden) en de beide signaal 1 en het signaal 2 (rechts). Intensiteit [au] Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figuur 3
Figuur 3: Tijdelijke frequentiespectrum van het uitgezonden uitgangssignaal 1 (links) en 2 (rechts). Amplitude [au] Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De montage van de experimentele opstelling (stap 1 in het protocol) is een grondige uitlijning van de optische componenten ten opzichte van elkaar. Het belangrijkste aspect is de rechthoekige incidentie van de referentiebundels op de SLM om een ​​hoge PBR waarborgen.

Om de installatie meer dan twee verzonden signalen versterken, zouden aanvullende bundelsplitsers worden gebruikt. Als alternatief zou een op vezel gebaseerde implementatie compacter en robuuster zodat het systeem draagbaar in situ onderzoeken biofotonica zijn. Als een handelaar toegang single-side is alleen mogelijk, modelmatige ijkoplossingen 20 te worden uitgevoerd, als een toekomstige stap. Hoe meer signalen worden uitgezonden, hoe meer functies vereist dus meer pixels op zowel de SLM en de CMOS camera bij betrokken zijn om tot een PBR. Bovendien moet het aantal pixels groter dan of gelijk aan het aantal toestanden. in advendien moet de pixelgrootte van de SLM tweemaal zo groot als de kleinste spikkel diameter aan de proximale zijde. Heeft het verder voorkeur dat de SLM een bitdiepte van ten minste vier bits. Het aantal pixels van de camera aangegeven met CMOS moet het aantal SLM pixels overschrijden. In plaats van de CMOS-camera een ander soort detector kan worden gebruikt, bijvoorbeeld CCD. Hetzelfde geldt voor de camera met CCD aangeduid.

Een beperking van de voorgestelde werkwijze is dat de lichtbron vereist een grote coherentielengte (lage spectrale bandbreedte) om interferentie te verzekeren in het hologram nodig zijn voor de fasemeting. Bovendien moet het systeem stabiel zijn, dwz geen veranderingen van de vezel of de optische opstelling tussen de kalibratie en de transmissie aanvaardbaar dat sneller is dan de duur van de kalibratie, die momenteel onder 1 s zijn. Voor lange vezels en een hoge signaal-frequenties, de groep snelheid dispersie van de verschillende vezels modi heeftin aanmerking worden genomen en kan het signaal verslechteren. Om te compenseren voor die, kunnen gradiënt-index vezels of de correctie van de spatiotemporele vervormingen 21 worden gebruikt.

In tegenstelling tot eerdere fase vervoeging benaderingen kunnen onze voorgestelde SDM methode worden gebruikt in toepassingen waar onafhankelijke lichtsignalen moeten worden overgedragen. Fase vervoeging methodes zijn voordelig met betrekking tot time performance, in vergelijking met iteratieve aanpak of volledige matrix bepalen.

Een verdere potentiële veld aanvraag kan endoscopische licht levering, bijvoorbeeld bij optische vallen of in optogenetics zijn. Voor optogenetics Onze werkwijze is voordelig met betrekking tot de selectieve belichting van afzonderlijke neuronen om het gedrag van de hersenen te analyseren en een beter begrip neurodegeneratieve ziekten.

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