Transmissão de múltiplos sinais através de uma fibra óptica Usando 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

A transmissão de sinais ópticos múltiplos independentes, através de uma fibra multimodo é realizado utilizando moldagem de frente de onda, a fim de compensar a distorção durante a propagação da luz no interior da fibra. Nossa metodologia é baseada na conjugação de fase digital óptico empregando apenas um único modulador de luz espacial, onde a frente de onda óptico é modulado individualmente em diferentes regiões do modulador, uma região por sinal luminoso. abordagens de conjugação de fase óptica digitais são considerados para ser mais rápido do que outras abordagens de frente de onda moldar, onde (por exemplo) é realizada uma determinação completa do comportamento de propagação da onda da fibra. Em contraste, a abordagem apresentada é rápida e eficiente uma vez que requer apenas uma calibração por cada sinal de luz. O método proposto é potencialmente adequado para a multiplexação por divisão espacial em engenharia de comunicações. Outros campos de aplicação são a entrega de luz endoscópica em biophotonics, especialmente em optogenetics, onde as células individuais no tecido biológico tem que ser iluminada seletivamente com alta resolução espacial e temporal.

Introduction

A transmissão de sinais múltiplos de luz através de uma fibra multimodo (MMF) é evidente em comunicação de engenharia 1 e 2 biofotónica. Na engenharia de comunicações, acredita-se que a multiplexação por divisão de espaço (SDM) como uma solução viável para melhorar a capacidade de transmissão de fibras ópticas para aplicações de transferência de dados futuras que beneficiam de uma maior utilização do espaço limitado, em comparação com várias fibras monomodo 3. Em biophotonics, amostras biológicas são manipulados pela transmissão da luz através de um endoscópio MMF 4. Por exemplo, o dispositivo de controlo óptico independente de neurónios individuais usando endoscópios MMF é de interesse para Optogenetics, a fim de estudar as redes neuronais no cérebro 5. No entanto, a luz projetada sobre a faceta de entrada MMF está sujeito a distorção devido à mistura de modo e dispersão durante a propagação para o Output faceta do MMF. Como resultado, a propagação da luz é alterada, o que torna a transmissão de sinal desafiador.

Wavefront moldar métodos 6, 7 são aplicados na dispersão mídia usando moduladores de luz espacial (SLM) e permitir a compensação para a distorção devido à dispersão durante a propagação da luz 8. Existem abordagens iterativos que otimizam a saída usando uma realimentação óptica 9. Estas abordagens são bastante demorado devido à necessidade de numerosas iterações e o elevado grau de liberdade, correspondendo a um grande número de elementos de modulador. Outra abordagem é para determinar completamente a distorção dentro do MMF descrito por sua matriz de transmissão 10. Se o número de modos a serem transmitidos é grande, este irá ser demorado bem. Em contraste, a conjugação de fase digital óptico (DOPC) é considerado como sendorápido e vantajoso aqui, uma vez que apenas alguns pontos focais têm que ser gerado no faceta do MMF saída. Abordagens conjugação de fase também foram demonstradas para a focagem de imagem ou através do tecido biológico 12, 13, 14.

Até agora, DOPC foi empregue para um único sinal de tempo de apenas 15, 16, e foi aplicada para a transmissão de luz através de um MMF 17. Uma abordagem DOPC para vários sinais independentes não foi realizado. Desenvolvemos um método de DOPC melhorada proporcionando o transporte independente de sinais de luz múltiplas utilizando frente de onda individuais que constituem para cada sinal que emprega uma única fase apenas SLM 18. Para este objectivo, o SLM é segmentado em regiões, um para cada sinal a ser transmitido. A configuração experimental proposto é mostrado na Figura 1, Onde uma calibração é realizado em a), antes da transmissão efectiva acontece em b).

figura 1
Figura 1: Instalação experimental. BS = divisor de feixe, CCD = charge-coupled device, OM = modulador óptico, CMOS = complementar semicondutor de óxido de metal, HWP = meia placa onda, L = lente, LP = polarizador linear, MMF = fibra multimodo, objetiva obj = microscópio, PBS = polarização divisor de feixe, SLM = modulador de luz espacial (fase única) - apenas vigas relevantes para (a) a calibração e (b) a transmissão são representados por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Protocol

1. Montagem do Setup Experimental

  1. Preparando o lado proximal
    1. Colocar e fixar o laser fornecer um feixe de luz colimada - ou usar um laser de fibra-acoplado com óptica de colimação na faceta de saída da fibra.
    2. Coloque o divisor de feixe de polarização (PBS) para dividir o feixe de laser para referência e feixe do objeto. Virar a orientação das placas de meia onda (HWP) rodando o HWP na sua rotação de montagem até que a energia de feixe de referência e feixe de objecto (no lado distal) é aproximadamente a mesma. Verifique isso colocando uma tela em ambos os de referência e feixe do objeto. Escolha da orientação do PBS, de forma que a polarização do feixe de referência se encaixa o modulador de luz espacial sensível à polarização (SLM).
    3. Coloque um divisor de feixe (BS) para o feixe de referência para dividir o feixe de referência em dois feixes. Coloque os moduladores ópticos (OM) de tal forma que estes dois feixes provenientes de BS1 podem passar OM1 e OM2, respectivamente. </ Li>
    4. Combine os dois feixes que passam OM1 e OM2 em BS2 empregando dois espelhos. Ajuste os divisores de feixe e espelhos para que ambos os feixes são separados espacialmente.
    5. alinhar cuidadosamente BS5 para assegurar que a direcção de incidência de ambas as vigas é perpendicular ao plano de pixel da SLM, ignorando BS3 e BS4 em primeiro lugar. Em primeiro lugar, nada é apresentado na SLM, isto é, actua como um espelho, até ao final da calibração (em todo o passo 2).
    6. Ajustar a posição e a distância entre as duas lentes (L), que constitui um telescópio Kepler, a fim de obter uma imagem nítida do plano SLM na câmara complementar semicondutor de óxido metálico (CMOS). Assista a orientação correta de L1 e L2 (lados planos estão enfrentando uns aos outros) para minimizar aberrações.
  2. Preparação do lado distal
    1. Use BS7 para dividir o feixe do objeto em dois feixes e combiná-los em BS8 empregando dois espelhos. Mais uma vez, ajuste os divisores de feixe e mirrors de modo que ambos os feixes estão espacialmente separadas.
    2. Desviar ambas as vigas usando BS9 para apontar-los para a objetiva do microscópio (OBJ). Focagem obj2 na extremidade distal da fibra multimodo (MMF). Verifique o foco observando o reflexo de volta do MMF empregando L3 e um dispositivo de câmara de carga acoplada (CCD).
  3. Conexão proximal e distal
    1. Colimar a luz do feixe do objeto sair do MMF empregando Obj1.
    2. Dividir o feixe do objeto usando BS6, ignorar o polarizador linear (LP) em primeiro lugar. Combinar as duas vigas de objeto com as duas vigas de referência em BS3 e BS4 empregando um espelho. Ajustar os espelhos divisores de feixe e de modo que cada par de referência e feixe de objecto sobreposição na SLM, cruzando com um pequeno ângulo (inferior a 1 °).
    3. Assegure-se que a potência de referência e o feixe de objecto são aproximadamente iguais, rodando a orientação do HWP, de acordo com o passo 1.1.2.
    4. Verifique a interferência pattern (fora do eixo holograma) para a câmera CMOS e ajustar o ângulo de cruzamento em conformidade. Aumentar o ângulo, até que o espaçamento franja de interferência aproximadamente igual ao tamanho de dois pixels na câmara CMOS.
    5. Ajustar a orientação do LP para coincidir com a polarização do objecto e feixe de referência, a fim de obter um máximo contraste do padrão de interferência na imagem da câmara CMOS, de modo que a imagem da câmara mostra franjas distintas.

2. Calibração do Sistema

  1. Calibrar a relação de pixel entre SLM e CMOS
    1. Iluminar toda a SLM utilizando apenas um dos feixes de referência e bloquear a outra referência e objetos vigas.
    2. Capturar uma imagem do SLM com a câmera CMOS.
    3. Obter as coordenadas do canto superior esquerdo da SLM na imagem da câmara CMOS, por exemplo, usando o software de gráficos e o cursor do mouse no PC. Use essas coordenadas de pixel como o ponto de origemsobre a SLM.
    4. Remova todos os blocos de feixe.
  2. Calibrar os caminhos de sinal
    1. Bloquear tanto de referência da viga 2 e objeto feixe 2.
    2. Capturar uma imagem do holograma com a câmara CMOS. Avaliar a fase no holograma gravado usando o método espectro angular 19. Calcula-se a fase invertida na região correspondente do feixe 1.
    3. Retirar os antigos blocos de feixe e agora bloquear tanto de referência da viga 1 e objeto feixe 1.
    4. Capturar uma imagem do holograma com a câmara CMOS. Medir a fase no holograma gravada usando o método espectro angular novamente. Calcula-se a fase invertida na região correspondente da travessa 2.
    5. Remova todos os blocos de feixe.

3. transmitir os sinais

  1. Bloquear o feixe objeto.
  2. Costurar as imagens de fase invertida calculados às regiões correspondentes do feixe 1 e 2 juntos e exibir otoda imagem na SLM, geralmente usando a porta de computação gráfica.
  3. Comece a modulação dos sinais de entrada 1 e 2, ativando OM1 e OM2.
  4. Observe os sinais de saída 1 e 2 na câmara CCD.

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Representative Results

Sinais de saída típica no lado distal da fibra longa de 2 m estão descritos na Figura 2. Note-se que o ponto focal desejado (pico) é acompanhado por um padrão de manchas indesejadas (background), o que é devido à imperfeição da DOPC como uma questão de princípio. O correspondente rácio de pico-a-fundo (PBR) ascende a 53 (apenas um sinal 1 é 'on'), 36 (apenas o sinal 2 é 'ligado') e 20 (ambos os sinais 1 e 2 são 'on') aqui, respectivamente . O PBR pode ser aumentada quando uma fibra que suporta um maior número de modos (actualmente: 1710) é utilizada.

Devido ao PBR finito, um resultado de interferência entre os sinais de saída, que é visualizado na Figura 3. A interferência entre a sinais periódicos com as f1 frequências e F2 eleva-se a -24 dB (de sinal 2 para sinalizar 1) e -29 dB (a partir de sinal 1 para sinalizar 2).

ntent "fo: manter-together.within-page =" 1 "> Figura 2
Figura 2: Imagem da extremidade distal da fibra, a transmissão de sinal de saída 1 (à esquerda), o sinal de 2 (centro) e tanto o sinal 1 e o sinal 2 (direita). Intensidade [au] Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3: Espectro de frequência temporal do sinal de saída transmitido 1 (esquerda) e 2 (para a direita). Amplitude [au] Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

A montagem do dispositivo experimental (passo 1 no protocolo) requer um alinhamento completa dos componentes ópticos em relação uns aos outros. O aspecto mais importante é a incidência rectangular dos feixes de referência para o SLM, a fim de assegurar um elevado PBR.

A fim de aumentar a configuração de mais de dois sinais transmitidos, pode ser utilizado divisores de feixe adicionais. Como uma alternativa, uma aplicação à base de fibras seria mais compacta e robusta permitindo que o sistema portátil para ser em investigações in situ em biofotónica. Se um acesso único lado só é possível, soluções de calibração com base em modelo 20 precisa ser realizado como um passo futuro. Os sinais são transmitidos mais, mais modos serão necessários de modo mais pixels tanto no SLM e a câmara CMOS terá de ser envolvida para se alcançar um PBR. Além disso, o número de pixels deveria ser maior do que ou igual ao número de modos. Em anúnciodição, o tamanho do pixel da SLM deve ser duas vezes o tamanho do diâmetro da mancha menor no lado proximal. Recomenda-se ainda que o SLM tem uma profundidade de, pelo menos, quatro bits de bits. O número de pixels da câmara denotado com CMOS deve exceder o número dos pixels SLM. No entanto, em vez de a câmara CMOS qualquer outro tipo de detector pode ser empregue, por exemplo CCD. O mesmo vale para a câmera denotado com CCD.

Uma limitação do método proposto é que a fonte de luz exige um grande comprimento de coerência (baixa largura de banda espectral) para assegurar a interferência no holograma necessário para a medição da fase. Além disso, o sistema deve ser estável, isto é, não há alterações da fibra ou a configuração óptica entre a calibração e a transmissão são toleráveis, que são mais rápidos do que a duração da calibragem, o qual é actualmente abaixo de 1 s. Para as fibras longas e frequências de sinal de alta, a dispersão de velocidade de grupo dos diferentes modos de fibra tempara ser levado em conta e pode deteriorar-se o sinal. Para compensar isso, podem ser utilizadas fibras gradiente de-índice ou a correção de distorções 21 espaço-temporais.

Em contraste com as abordagens de conjugação de fase anterior, o nosso método de SDM proposto pode ser utilizado em aplicações, em que sinais de luz independentes tenham de ser transmitidos. métodos fase de conjugação são vantajosas em relação ao desempenho do tempo, em comparação com abordagens interativas ou determinação matriz completa.

Um outro campo de aplicação potencial pode ser a entrega de luz endoscópica, por exemplo em armadilhas ópticas ou em optogenética. Para Optogenetics, o nosso método é vantajoso em relação à iluminação selectiva de neurónios individuais, a fim de analisar o comportamento do cérebro e do melhor entendimento das doenças neurodegenerativas.

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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

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).

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