Wavefront Şekillendirme kullanarak bir Fiber Optik aracılığıyla Çoklu Sinyalleri İletim

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

Bir çok modlu fiber üzerinden birden fazla bağımsız optik sinyallerin iletim fiber içinde yayılması sırasında ışık bozulmayı telafi etmek için dalga cephesi şekillendirme kullanılarak gerçekleştirilir. Metodoloji, optik dalga cephesi tek modülatör farklı bölgelerinde modüle edilir, yalnızca tek bir uzaysal ışık modülatörü, ışık sinyalinin her bir bölge kullanılarak bir dijital optik faz konjügasyonu dayanır. Dijital optik faz konjugasyon yaklaşımları (örneğin) fiber dalga yayılımı davranış tam tayini gerçekleştirilir, diğer dalga cephesi şekillendirme yaklaşımlar, daha hızlı olduğu kabul edilir. sadece ışık sinyali başına bir kalibrasyon gerektirir çünkü aksine, sunulan yaklaşım zaman etkilidir. Önerilen yöntem haberleşme mühendisliği mekansal bölmeli çoklama için potansiyel uygundur. Ayrıntılı uygulama alanları özellikle o da, Biophotonics endoskopik ışık teslim edilirbiyolojik doku tek hücre olan ptogenetics, seçici yüksek uzaysal ve zamansal çözünürlüğe sahip aydınlatılmaya.

Introduction

Bir çok modlu fiber (MMF) üzerinden birden ışık sinyallerinin iletimi iletişim mühendisliği 1 ve Biophotonics 2 belirgindir. haberleşme mühendisliği, uzay-bölmeli çoklama (SDM) çoklu tek modlu liflere kıyasla sınırlı alanlarda daha yüksek bir kullanımından yararlanan gelecekteki veri transferi uygulamaları için fiber optik iletim kapasitesini artırmak amacıyla kalıcı bir çözüm olduğuna inanılmaktadır 3.. Biophotonics, biyolojik numuneler bir MMF endoskop 4 ile ışık verici tarafından manipüle edilir. Örneğin, MMF endoskoplar kullanılarak bireysel nöronların bağımsız optik kontrol beyinde 5 nöron ağları araştırmak için optogenetics ilgi olduğunu. Ancak, MMF giriş faset üzerine yansıtılan ışık Outpu yayılması sırasında bozulma nedeniyle mod karıştırma ve dağılma tabidirMMF t faset. Bunun bir sonucu olarak, ışık yayılma sinyali iletim güçleştirmektedir, değiştirilir.

Wavefront şekillendirme yöntemleri 6, 7 uzaysal ışık modülatörlerinin (SLM) kullanarak medya saçılma uygulanan ve bağlı hafif yayılması 8 sırasında saçılma bozulma için tazminat imkan verirler. Bir optik geribildirim 9 kullanarak çıktıyı optimize iteratif yaklaşım vardır. Bu yaklaşımlar yerine zaman, çünkü çok sayıda tekrarlamalar için gerekliliği ve özgürlük yüksek derecede tüketen modülatör elemanlarının çok sayıda gelen bulunmaktadır. Başka bir yaklaşım tamamen iletim matrisinin 10 tarafından açıklanan MMF içinde bozulma tespit etmektir. iletilecek modları sayısı büyükse, bu da zaman alıcı olacaktır. Bunun aksine, dijital optik faz konjugasyon (DOPC) olarak kabul edilirSadece birkaç odak noktalar beri, hızlı ve burada avantajlı MMF çıkış faset oluşturulan gerekmektedir. Faz konjugasyon yaklaşımları da biyolojik doku 12, 13, 14 ile odaklama veya görüntüleme için gösterilmiştir.

Şimdiye kadar, DOPC, tek bir saat sinyali sadece 15, 16 kullanılmıştır, ve MMF 17 ışığın iletimi için uygulanmıştır. Birden fazla bağımsız sinyaller için bir DOPC yaklaşım başarılı olmamıştır. Biz bir tek faz-sadece SLM 18 istihdam her sinyal için şekillendirme bireysel wavefront kullanarak birden fazla ışık sinyallerinin bağımsız iletimini sağlayan gelişmiş bir DOPC yöntem geliştirdik. Bu amaçla, SLM Her bir sinyal için iletilecek bölgeler halinde bölünür. Önerilen deney düzeneği Şekil 1 'de gösterilmektedirKalibrasyon gerçek iletim öncesi), bir gerçekleştirilir burada, b) 'de oluşur.

Şekil 1
Şekil 1: Deney düzeneği. BS = ışın ayırıcı, CCD = şarj çiftli aygıt, OM = optik modülatör, CMOS = tamamlayıcı metal oksit yarı iletken, HWP = yarım dalga plakası, L = objektif, LP = doğrusal polarize, MMF = modlu fiber, OBJ = mikroskop objektif, PBS = ışın ayırıcı, SLM = uzaysal ışık modülatörü polarize (faz için) - tasvir edilmektedir: (a) kalibrasyon ve (b) iletimi için sadece ilgili kirişler bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Deneysel Kurulum Montaj

  1. Vücuda yakın tarafına hazırlanması
    1. Yerleştirin ve bir collimated ışık demeti sağlayan lazer düzeltmek - veya fiberin çıkış faset kolimasyon optik fiber birleştiğinde lazer kullanır.
    2. referans ve nesne ışınına lazer ışını bölmek polarize ışın ayırıcı (PBS) koyun. Referans kiriş ve (uzak tarafında) nesne ışınının gücü kabaca aynı olana kadar montaj onun rotasyon hwp çevirerek yarım dalga plakaları (HWP) yönünü çevirin. referans ve nesne kiriş hem içine bir ekran koyarak bu kontrol edin. Referans ışınının kutuplaşma polarizasyon duyarlı uzaysal ışık modülatörü (SLM) sığacak şekilde PBS yönünü seçin.
    3. İki kiriş içine referans ışını bölmek için referans ışınına bir ışın ayırıcı (BS) koyun. BS1 gelen bu iki profil, sırasıyla OM1 ve OM2 geçebilir optik modülatörleri (OM) yerleştirin. </ Li>
    4. İki ayna istihdam BS2 de OM1 ve OM2 geçen iki kirişler birleştirin. Her iki kirişler mekansal ayrılır, böylece ışın bölücülerin ve aynaları ayarlayınız.
    5. Dikkatle her iki kiriş insidansı yönü ilk başta piksel SLM düzlemi, görmezden BS3 ve BS4 dik olmasını sağlamak için BS5 aynı hizaya getirin. İlk başta, hiçbir şey, yani SLM görüntülenir, bu (2. adımda boyunca) kalibrasyon sonuna kadar bir ayna gibi davranır.
    6. konumu ve iki lens (L) arasındaki mesafeyi tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (CMOS) kamerada SLM uçağın keskin bir görüntü elde etmek için Kepler teleskobu oluşturan ayarlayın. sapmaları en aza indirmek için L1 ve L2 doğru yönünü (düz kenarlar birbirine bakacak) izleyin.
  2. Uzak taraf hazırlanması
    1. İki kiriş içine nesne ışını bölmek ve iki aynalar kullanılarak BS8 onları birleştirmek için BS7 kullanın. Yine, kiriş bölücülerin ve mil ayarlamakHer iki profil uzamsal olarak ayrılmış şekilde rrors.
    2. mikroskop objektif (OBJ) bunları hedefliyoruz BS9 kullanarak her iki gözünüzü almaması. modlu fiber (MMF) uzak ucunda obj2 Odak. L3 ve şarj çiftli aygıt (CCD) kamera kullanılarak MMF geri yansıma gözlemleyerek odağı kontrol edin.
  3. Bağlama yakın ve uzak yan
    1. MMF kullanan obj1 çıkan nesne kiriş ışık .birleştirecek.
    2. ilk başta doğrusal polarize (LP) görmezden BS6 kullanarak nesne ışın bölün. Referans BS3 de kiriş ve BS4 bir ayna kullanılarak hem hem nesne kirişler birleştirin. kiriş bölücülerin ve aynaları ayarlayın, böylece küçük bir açı (en az 1 °) ile kesişen SLM de referans ve nesne ışın örtüşme her çift.
    3. Referans gücü ve nesne ışın, hwp yönünü çevirerek 1.1.2 adıma göre yaklaşık eşit olduğundan emin olun.
    4. girişim p kontrolattern CMOS kamera (hologram eksen-off) ve buna göre kesişme açısını ayarlayın. girişim saçak aralığı kabaca CMOS kamera iki piksel boyutunu eşit oluncaya kadar, açı arttırın.
    5. Kamera görüntüsü farklı saçaklar gösterir, böylece CMOS kamera görüntüsünde girişim deseninin bir maksimum kontrast elde etmek için nesne ve referans ışınının kutuplaşmayı maç LP yönünü ayarlayın.

2. Sistem kalibrasyonu

  1. SLM ve CMOS arasındaki piksel ilişkisini kalibre
    1. Sadece referans kirişlerin birini kullanarak tüm SLM Aydınlatmak ve blok diğer başvuru ve kirişler nesneleri.
    2. CMOS kamera ile SLM bir görüntü yakalamak.
    3. Grafik yazılımı ve PC fare imleci kullanarak CMOS kamera görüntüsünde SLM sol üst köşesinde, örneğin koordinatlarını alın. kökenli noktası olarak bu piksel koordinatlarını kullanınSLM ilgili.
    4. Tüm ışın blokları kaldırmak.
  2. Sinyal yollarını Kalibre
    1. Her iki referans ışını 2 ve nesne ışını 2 engelleyin.
    2. CMOS kamera ile hologramın bir görüntü yakalamak. Açısal spektrum yöntemi 19 kullanılarak kaydedilen hologram fazı değerlendirin. kirişin 1 karşılık gelen bölgede ters faz hesaplamak.
    3. Eski ışın blokları kaldırmak ve şimdi hem referans ışını 1 ve nesne ışını 1 blok.
    4. CMOS kamera ile hologramın bir görüntü yakalamak. Yine açısal spektrum yöntemi kullanılarak kaydedilen hologram fazı ölçün. kiriş 2, ilgili bölgede ters faz hesaplamak.
    5. Tüm ışın blokları kaldırmak.

3. Sinyalleri Verici

  1. Nesne ışını engelleyin.
  2. birlikte kiriş 1 ve 2'ye karşılık gelen bölgelerde hesaplanan ters faz görüntüleri Dikiş ve ekranSLM üzerindeki tüm görüntü, genellikle bilgisayar grafik bağlantı noktasını kullanarak.
  3. OM1 ve OM2 etkinleştirerek giriş sinyalleri 1 ve 2 modülasyonunu başlatın.
  4. CCD kamera çıkış sinyalleri 1 ve 2 gözlemleyin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

2 m uzunluğunda elyaf uzak tarafında tipik çıkış sinyalleri, Şekil 2'de tasvir edilmiştir. İstenen odak nokta (zirve) prensip olarak DOPC kusurları nedeniyle istenmeyen bir benek deseni (arka plan), eşlik unutmayın. İlgili tepeden-arka oranı (PBR) 53 tutarında, 36 sırasıyla burada (hem sinyaller 1 ve 2 'açık' olan) (sadece sinyal 2 'açık') ve 20 (sadece sinyal 1 'açık' olduğunu) . (: 1710, şu anda) kullanıldığında modları daha çok sayıda destekler fiber olduğunda PBR arttırılabilir.

Şekil 3'te görüntülenmiştir sonlu PBR, çıkış sinyalleri arasında bir çapraz-karışma sonuçları nedeniyle. -24 DB frekansları f1 ve f2 miktarda periyodik sinyaller arasındaki çapraz-karışma (sinyal 2 den 1 sinyal) ve -29 dB (sinyal 1 den 2 sinyal).

ntent "fo: keep-together.within-page =" 1 "> şekil 2
Şekil 2: Distal elyaf sonu resmi, çıkış sinyalinin 1 (solda), sinyal 2 (orta) ve her iki sinyal 1 ve sinyal 2 (sağda) iletim. Yoğunluk [au] Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
Şekil 3: gönderilen çıkış sinyali 1 (sol) ve 2 (sağ) zamansal frekans spektrumu. Genlik [au] Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

deneysel kurulum (protokolünde aşama 1) montajı birbirine göre optik bileşenleri ayrıntılı bir hizalama gerektirir. en önemli yönü yüksek bir PBR sağlamak amacıyla SLM üzerine referans ışınlarının dikdörtgen insidansı.

ikiden fazla iletilen sinyallere setup artırmak amacıyla, ek bir ışın ayırma kullanılabilir. Bir alternatif olarak, elyaf bazlı bir uygulama daha kompakt ve sistem Biophotonics in situ araştırmalarda taşınabilir olmasını sağlayan sağlam olacaktır. Tek yan erişim mümkün değilse, sadece, model tabanlı kalibrasyon çözeltileri 20 gelecekteki adım olarak yerine getirilmesi gerekir. iletilir daha sinyaller, daha modları PBR ulaşmak için ilgili gerekecek SLM ve CMOS kamera hem böylece daha fazla piksel gerekecektir. Ayrıca, piksel sayısı modlarının sayısı daha büyük ya da buna eşit olması gerekir. Reklamdadition, SLM piksel boyutu yakın tarafında küçük benek çapının iki katı büyüklüğünde olmalıdır. Bundan başka, SLM en az dört bitin bir bit derinliği vardır önerilir. CMOS ile gösterilir kamera piksel sayısı SLM piksel sayısını aşmaması gerekir. Bununla birlikte, herhangi bir başka detektör tipi kullanılabilir yerine CMOS kamera, örneğin CCD. Aynı CCD ile gösterilir kamera için de geçerlidir.

Önerilen yöntemin bir sınırlama ışık kaynağı faz ölçümü için gerekli olan hologram girişime sağlamak için büyük bir tutarlılık uzunluğu (düşük spektral bant genişliği) gerektirir. Buna ek olarak, sistem, kararlı fiber veya kalibrasyon ve şanzıman arasındaki optik kurulum herhangi bir değişiklik daha hızlı şu anda 1 sn altında kalibrasyon, süresinden daha olduğunu tolere edilebilir yani gerekir. Uzun elyaflar ve yüksek sinyal frekanslarında, farklı elyaf modlarının grup hızı dispersiyonu, vardikkate alınması ve sinyal bozulabilir. Bu telafi etmek için, gradyan indisli fiberler veya uzaysal çarpıtma 21 düzeltilmesi kullanılabilir.

geçmiş bir faz konjugasyon yaklaşımların aksine olarak, önerilen SDM yöntemi bağımsız ışık sinyallerini aktarmak için olan uygulamalar içinde kullanılabilir. Faz konjugasyon yöntemleri tekrarlamalı yaklaşımlar veya tam matris belirlenmesi ile karşılaştırıldığında, zaman performansı ile ilgili avantajlıdır.

Bir başka potansiyel uygulama alanı optik tuzakları veya optogenetics örneğin endoskopik ışık teslim olabilir. optogenetics için, yöntem, beyin davranışlarını ve daha nörodejeneratif hastalıkların anlaşılması için tek nöronların seçici aydınlatma ilgili avantajlıdır.

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