The financial support by DFG (German research foundation, project CZ 55/30-1) for parts of this work is gratefully acknowledged.

1. Montage des Versuchsaufbau <ol><li> Vorbereiten der proximalen Seite <ol><li> Platzieren und befestigen Sie den Laser mit einem gebündelten Lichtstrahls - oder verwenden Sie einen fasergekoppelten Laser mit Kollimationsoptik an der Austrittsseite der Faser. </li><li> 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). </li><li> 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. &lt;/ Li&gt; <li> 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. </li><li> 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). </li><li> 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. </li></ol></li><li> Vorbereiten der distalen Seite <ol><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> Verbindungs proximalen und distalen Seite <ol><li> Kollimieren das Licht von der Objektstrahl die MMF Verwendung OBJ1 austritt. </li><li> 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 °). </li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li></ol> 2. Kalibrierung des Systems <ol><li> Kalibrieren des Pixel Beziehung zwischen SLM und CMOS <ol><li> Illuminate die gesamte SLM unter Verwendung nur eines der Referenzstrahlen und blockieren die anderen Referenz und Objekte Balken. </li><li> Aufnehmen eines Bildes des SLM mit der CMOS-Kamera. </li><li> 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. </li><li> Entfernen Sie alle Balken blockiert. </li></ol></li><li> Kalibrieren der Signalwege <ol><li> Blockieren sowohl Referenzstrahl 2 und Objektstrahl 2. </li><li> 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. </li><li> Entfernen Sie die frühere Strahlenblöcke und blockieren nun beide Referenzstrahl 1 und Objektstrahl 1. </li><li> 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. </li><li> Entfernen Sie alle Balken blockiert. </li></ol></li></ol> 3. Übertragung der Signale <ol><li> Blockieren Sie den Objektstrahl. </li><li> 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. </li><li> Starten Sie die Modulation der Eingangssignale 1 und 2 von OM1 und OM2 aktivieren. </li><li> Beachten Sie die Ausgangssignale 1 und 2 auf der CCD-Kamera. </li></ol>

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N., Farahi, S., Moser, C., Psaltis, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Focusing+and+scanning+light+through+a+multimode+optical+fiber+using+digital+phase+conjugation.">Focusing and scanning light through a multimode optical fiber using digital phase conjugation.</a> Opt. Express. 20 (10), 10583-10590 (2012).</li><li>Czarske, J. W., Haufe, D., Koukourakis, N., B&#252;ttner, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transmission+of+independent+signals+through+a+multimode+fiber+using+digital+optical+phase+conjugation.">Transmission of independent signals through a multimode fiber using digital optical phase conjugation.</a> Opt. Express. 24 (13), 15128-15136 (2016).</li><li>Kim, M. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Principles+and+techniques+of+digital+holographic+microscopy.">Principles and techniques of digital holographic microscopy.</a> SPIE Rev. 1 (1), 01800501-01800550 (2010).</li><li>Gu, R. Y., Mahalati, R. N., Kahn, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+of+flexible+multi-mode+fiber+endoscope.">Design of flexible multi-mode fiber endoscope.</a> Opt. Express. 23 (21), 26905-26918 (2015).</li><li>Katz, O., Small, E., Bromberg, Y., Silberberg, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Focusing+and+compression+of+ultrashort+pulses+through+scattering+media.">Focusing and compression of ultrashort pulses through scattering media.</a> Nat. 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The authors have nothing to disclose.

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.

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). <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/55407/55407fig1.jpg" /> 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 <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55407/55407fig1large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55407/55407fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

<table><tbody><tr><td>spatial light modulator</td><td>Holoeye</td><td>PLUTO-VIS-016</td><td></td></tr><tr><td>CMOS camera</td><td>Mikrotron</td><td>MC4082</td><td></td></tr><tr><td>diode-pumped solid state laser</td><td>Laser Quantum</td><td>torus 532</td><td></td></tr><tr><td>CCD camera</td><td>IDS</td><td>U3-3482LE-M CMOS</td><td>camera; suitable as well</td></tr><tr><td>lens 1</td><td>Qioptiq</td><td>G063204000</td><td></td></tr><tr><td>lens 2</td><td>Qioptiq</td><td>G063203000</td><td></td></tr><tr><td>lens 3</td><td>Thorlabs</td><td>AC508-180-A-ML</td><td></td></tr><tr><td>multimode fiber</td><td>Thorlabs</td><td>M14L02</td><td></td></tr><tr><td>beam splitters</td><td>Thorlabs</td><td>BS013</td><td>9x</td></tr><tr><td>polarizing beam splitters</td><td>Thorlabs</td><td>PBS251</td><td></td></tr><tr><td>mirrors</td><td>Thorlabs</td><td>PF10-03-P01</td><td>5x</td></tr><tr><td>microscope objectives</td><td>Thorlabs</td><td>RMS20X</td><td>2x</td></tr><tr><td>half wave plates</td><td>Thorlabs</td><td>WPH10M-532</td><td>2x</td></tr><tr><td>linear polarizer</td><td>Thorlabs</td><td>LPVISB050-MP2</td><td></td></tr><tr><td>optical modulators</td><td>Thorlabs</td><td>MC2000B-EC</td><td>2x</td></tr><tr><td>linear and rotation stage for CMOS camera</td><td>Thorlabs</td><td>XYR1/M</td><td></td></tr><tr><td>fiber connector</td><td>Thorlabs</td><td>S120-SMA</td><td>2x</td></tr><tr><td>reducing ring for microscope objectives</td><td>Qioptiq</td><td>G061621000</td><td>2x</td></tr><tr><td>xy adjustment for objective adapters</td><td>Qioptiq</td><td>G061025000</td><td>2x</td></tr><tr><td>z translation mount for fiber adapter</td><td>Thorlabs</td><td>SM1Z</td><td>2x</td></tr><tr><td>rods for fiber alignment to objectives</td><td>Qioptiq</td><td>G061210000</td><td>8x</td></tr><tr><td>mounts for lenses 1 and 2 plus two phantom mounts</td><td>Qioptiq</td><td>G061047000</td><td>4x</td></tr><tr><td>rail carriers for objective and lens mounts</td><td>Qioptiq</td><td>G061372000</td><td>6x</td></tr><tr><td>rail for rail carriers</td><td>Qioptiq</td><td>G061359000</td><td>2x</td></tr><tr><td>adapter for CCD camera to 1 post</td><td></td><td></td><td>in-house</td></tr><tr><td>adapter for laser to 4 posts</td><td></td><td></td><td>in-house</td></tr><tr><td>mount for lens 3</td><td>Thorlabs</td><td>LMR2/M</td><td></td></tr><tr><td>mounts for half wave plates</td><td>Thorlabs</td><td>RSP1D/M</td><td>2</td></tr><tr><td>mounts for mirrors</td><td>Thorlabs</td><td>KM100</td><td>5x</td></tr><tr><td>mount for linear polarizer</td><td>Thorlabs</td><td>RSP05/M</td><td></td></tr><tr><td>mounts for beam splitters and SLM</td><td>Thorlabs</td><td>KM100PM/M</td><td>11x</td></tr><tr><td>clamping arms for beam splitters and SLM</td><td>Thorlabs</td><td>PM4/M</td><td>11x</td></tr><tr><td>posts for mounts, rail carriers and adapters</td><td>Thorlabs</td><td>TR75/M</td><td>29x</td></tr><tr><td>holders for posts</td><td>Thorlabs</td><td>PH50/M</td><td>29x</td></tr><tr><td>pedestals for holders</td><td>Thorlabs</td><td>BE1/M</td><td>29x</td></tr><tr><td>clamping forks for pedestals</td><td>Thorlabs</td><td>CF125</td><td>29x</td></tr></tbody></table>

transmission of multiple signals through an optical fiber using wavefront shaping

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.

<html> 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 &#39;auf&#39;), 36 (nur Signal 2 &#39;auf&#39;) und 20 (beide Signale 1 und 2 &#39;auf&#39;) 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 &quot;fo: keep-together.within-page =&quot; 1 &quot;&gt; <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/55407/55407fig2.jpg" /> 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] <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55407/55407fig2large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55407/55407fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/55407/55407fig3.jpg" /> Abbildung 3: Temporal Frequenzspektrum des übertragenen Ausgangssignal 1 (links) und 2 (rechts). Amplitude [au] <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55407/55407fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="https://ecsource-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/55407/55407fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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Transmission of Multiple Signals through an Optical Fiber Using Wavefront Shaping

We demonstrate the transmission of multiple independent signals through a multimode fiber using wavefront shaping employing a single spatial light modulator. By modulating the wavefront for each signal individually, spatially separated foci are transmitted. Potential applications are multiplexed data transfer in communications engineering and endoscopic light delivery in biophotonics.

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

The transmission of multiple independent optical signals through a multimode fiber is accomplished using wavefront shaping in order to compensate for the ...

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Serie: Transmission of Multiple Signals through an Optical Fiber Using Wavefront Shaping

Quasi-light Storage for Optical Data Packets

Today's telecommunication is based on optical packets which transmit the information in optical fiber networks around the world. Currently, the processing of the signals is done in the electrical domain. Direct storage in the optical domain would avoid the transfer of the packets to the electrical and back to the optical domain in every network node and, therefore, increase the speed and possibly reduce the energy consumption of telecommunications. However, light consists of photons which propagate with the speed of light in vacuum. Thus, the storage of light is a big challenge. There exist some methods to slow down the speed of the light, or to store it in excitations of a medium. However, these methods cannot be used for the storage of optical data packets used in telecommunications networks. Here we show how the time-frequency-coherence, which holds for every signal and therefore for optical packets as well, can be exploited to build an optical memory. We will review the background and show in detail and through examples, how a frequency comb can be used for the copying of an optical packet which enters the memory. One of these time domain copies is then extracted from the memory by a time domain switch. We will show this method for intensity as well as for phase modulated signals.

The article describes a procedure to store optical data packets with an arbitrary modulation, wavelength, and data rate. These packets are the basis of modern telecommunications.

Quasi-Lichtraum für optische Datenpakete

Today's telecommunication is based on optical packets which transmit the information in optical fiber networks around the world. Currently, the processing ...

Forschung

Ingenieurwesen

Fabrication and Characterization of Disordered Polymer Optical Fibers for Transverse Anderson Localization of Light

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. The developed polymer optical fiber is composed of 80,000 strands of poly (methyl methacrylate) (PMMA) and polystyrene (PS) that are randomly mixed and drawn into a square cross section optical fiber with a side width of 250 &mu;m. Initially, each strand is 200 &mu;m in diameter and 8-inches long. During the mixing process of the original fiber strands, the fibers cross over each other; however, a large draw ratio guarantees that the refractive index profile is invariant along the length of the fiber for several tens of centimeters. The large refractive index difference of 0.1 between the disordered sites results in a small localized beam radius that is comparable to the beam radius of conventional optical fibers. The input light is launched from a standard single mode optical fiber using the butt-coupling method and the near-field output beam from the disordered fiber is imaged using a 40X objective and a CCD camera. The output beam diameter agrees well with the expected results from the numerical simulations. The disordered optical fiber presented in this work is the first device-level implementation of 2D Anderson localization, and can potentially be used for image transport and short-haul optical communication systems.

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. This microstructured fiber can transport a small localized beam with a radius that is comparable to the beam radius of conventional optical fibers.

Herstellung und Charakterisierung von Disordered Optische Polymerfasern für Quer Anderson Localization of Light

We develop and characterize a disordered polymer optical fiber that uses transverse Anderson localization as a novel waveguiding mechanism. The developed ...

Writing Bragg Gratings in Multicore Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong suppression at a single wavelength requires that all cores have matching transmission profiles. These gratings cannot be inscribed using the same method as for single-core fibers because the curved surface of the cladding acts as a lens, focusing the incoming UV laser beam and causing variations in exposure between cores. Therefore we use an additional optical element to ensure that the beam shape does not change while passing through the cross-section of the multicore fiber. This consists of a glass capillary tube which has been polished flat on one side, which is then placed over the section of the fiber to be inscribed. The laser beam enters the fiber through the flat surface of the capillary tube and hence maintains its original dimensions. This paper demonstrates the improvements in core-to-core uniformity for a 7-core fiber using this method. The technique can be generalized to larger multicore fibers.

We describe a technique for inscribing identical fiber Bragg gratings into each core of a multicore fiber. This is achieved by introducing an additional surface into the optical path to mitigate lensing by the curved surface of the fiber cladding.

Schreiben-Bragg-Gitter in Multicore- Fibers

Fiber Bragg gratings in multicore fibers can be used as compact and robust filters in astronomical and other research and commercial applications. Strong ...

Generation and Coherent Control of Pulsed Quantum Frequency Combs

We present a method for the generation and coherent manipulation of pulsed quantum frequency combs. Until now, methods of preparing high-dimensional states on-chip in a practical way have remained elusive due to the increasing complexity of the quantum circuitry needed to prepare and process such states. Here, we outline how high-dimensional, frequency-bin entangled, two-photon states can be generated at a stable, high generation rate by using a nested-cavity, actively mode-locked excitation of a nonlinear micro-cavity. This technique is used to produce pulsed quantum frequency combs. Moreover, we present how the quantum states can be coherently manipulated using standard telecommunications components such as programmable filters and electro-optic modulators. In particular, we show in detail how to accomplish state characterization measurements such as density matrix reconstruction, coincidence detection, and single photon spectrum determination. The presented methods form an accessible, reconfigurable, and scalable foundation for complex high-dimensional state preparation and manipulation protocols in the frequency domain.

A protocol is presented for the practical generation and coherent manipulation of high-dimensional frequency-bin entangled photon states using integrated micro-cavities and standard telecommunications components, respectively.

Generation und kohärente Steuerung der gepulsten Quantum Frequenzkämmen

We present a method for the generation and coherent manipulation of pulsed quantum frequency combs. Until now, methods of preparing high-dimensional ...

High-Throughput Total Internal Reflection Fluorescence and Direct Stochastic Optical Reconstruction Microscopy Using a Photonic Chip

Total internal reflection fluorescence (TIRF) is commonly used in single molecule localization based super-resolution microscopy as it gives enhanced contrast due to optical sectioning. The conventional approach is to use high numerical aperture microscope TIRF objectives for both excitation and collection, severely limiting the field of view and throughput. We present a novel approach to generating TIRF excitation for imaging with optical waveguides, called chip-based nanoscopy. The aim of this protocol is to demonstrate how chip-based imaging is performed in an already built setup. The main advantage of chip-based nanoscopy is that the excitation and collection pathways are decoupled. Imaging can then be done with a low magnification lens, resulting in large field of view TIRF images, at the price of a small reduction in resolution. Liver sinusoidal endothelial cells (LSECs) were imaged using direct stochastic optical reconstruction microscopy (dSTORM), showing a resolution comparable to traditional super-resolution microscopes. In addition, we demonstrate the high-throughput capabilities by imaging a 500 &#181;m x 500 &#181;m region with a low magnification lens, providing a resolution of 76 nm. Through its compact character, chip-based imaging can be retrofitted into most common microscopes and can be combined with other on-chip optical techniques, such as on-chip sensing, spectroscopy, optical trapping, etc. The technique is thus ideally suited for high throughput 2D super-resolution imaging, but also offers great opportunities for multi-modal analysis.

Chip-based super-resolution optical microscopy is a novel approach to fluorescence microscopy and offers advantages in cost effectiveness and throughput. Here, the protocols for chip preparation and imaging are shown for TIRF microscopy and localization-based super-resolution microscopy.

Hochdurchsatz totale interne Reflexionfluoreszenz und direkte stochastische optische Rekonstruktionsmikroskopie mit einem Photonischen Chip

Total internal reflection fluorescence (TIRF) is commonly used in single molecule localization based super-resolution microscopy as it gives enhanced ...

Biochemie

Shaping the Amplitude and Phase of Laser Beams by Using a Phase-only Spatial Light Modulator

The aim of this article is to visually demonstrate the utilization of an interferometric method for encoding complex fields associated with coherent laser radiation. The method is based on the coherent sum of two uniform waves, previously encoded into a phase-only spatial light modulator (SLM) by spatial multiplexing of their phases. Here, the interference process is carried out by spatial filtering of light frequencies at the Fourier plane of certain imaging system. The correct implementation of this method allows arbitrary phase and amplitude information to be retrieved at the output of the optical system.
It is an on-axis, rather than off-axis encoding technique, with a direct processing algorithm (not an iterative loop), and free from coherent noise (speckle). The complex field can be exactly retrieved at the output of the optical system, except for some loss of resolution due to the frequency filtering process. The main limitation of the method might come from the inability to operate at frequency rates higher than the refresh rate of the SLM. Applications include, but are not limited to, linear and non-linear microscopy, beam shaping, or laser micro-processing of material surfaces.

We show how to encode the complex field of laser beams by using a single phase element. A common-path interferometer is employed to mix the phase information displayed into a phase-only spatial light modulator to finally retrieve the desired complex field pattern at the output of an optical imaging system.

Gestaltung der Amplitude und Phase von Laserstrahlen durch den Einsatz einer Phase nur räumlichen Lichtmodulator

The aim of this article is to visually demonstrate the utilization of an interferometric method for encoding complex fields associated with coherent laser ...

Low-cost Custom Fabrication and Mode-locked Operation of an All-normal-dispersion Femtosecond Fiber Laser for Multiphoton Microscopy

A protocol is presented to build a custom low-cost yet high-performance femtosecond (fs) fiber laser. This all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped fiber laser is built completely using commercially available parts, including $8,000 in fiber optic and pump laser components, plus $4,800 in standard optical components and extra-cavity accessories. Researchers new to fiber optic device fabrication may also consider investing in basic fiber splicing and laser pulse characterization equipment (~$63,000). Important for optimal laser operation, methods to verify true versus apparent (partial or noise-like) mode-locked performance are presented. This system achieves 70 fs pulse duration with a center wavelength of approximately 1,070 nm and a pulse repetition rate of 31 MHz. This fiber laser exhibits the peak performance that may be obtained for an easily assembled fiber laser system, which makes this design ideal for research laboratories aiming to develop compact and portable fs laser technologies that enable new implementations of clinical multiphoton microscopy and fs surgery.

A method is presented to build a custom low-cost, mode-locked femtosecond fiber laser for potential applications in multiphoton microscopy, endoscopy, and photomedicine. This laser is built using commercially available parts and basic splicing techniques.

Kostengünstige kundenspezifische Fertigung und Modus-gesperrter Betrieb eines Femtosekunden-Faserlasers mit All-Normal-Dispersion für die Multiphotonenmikroskopie

A protocol is presented to build a custom low-cost yet high-performance femtosecond (fs) fiber laser. This all-normal-dispersion (ANDi) ytterbium-doped ...

Characterization of SiN Integrated Optical Phased Arrays on a Wafer-Scale Test Station

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for moving mechanical parts. This technology is particularly useful for beam steering applications. Here, we focus on OPAs integrated into SiN photonic circuits for a wavelength in the near infrared. A characterization method of such circuits is presented, which allows the output beam of integrated OPAs to be shaped and steered. Furthermore, using a wafer-scale characterization setup, several devices can easily be tested across multiple dies on a wafer. In this way, fabrication variations can be studied, and high-performance devices identified. Typical images of OPA beams are shown, including beams emitted from OPAs with and without a uniform waveguide length, and with varying numbers of channels. In addition, the evolution of output beams during the phase optimization process and beam steering in two dimensions is presented. Finally, a study of the variation in the beam divergence of identical devices is performed with respect to their position on the wafer.

Here, we describe the operation of a SiN integrated photonic circuit containing optical phased arrays. The circuits are used to emit low divergence laser beams in the near infrared and steer them in two dimensions.

Charakterisierung von Integrierten optischen Phasenarrays von SiN auf einer Wafer-Scale-Teststation

Optical phased arrays (OPAs) can produce low-divergence laser beams and can be used to control the emission angle electronically without the need for ...

Multicolor Fluorescence Detection for Droplet Microfluidics Using Optical Fibers

Fluorescence assays are the most common readouts used in droplet microfluidics due to their bright signals and fast time response. Applications such as multiplex assays, enzyme evolution, and molecular biology enhanced cell sorting require the detection of two or more colors of fluorescence. Standard multicolor detection systems that couple free space lasers to epifluorescence microscopes are bulky, expensive, and difficult to maintain. In this paper, we describe a scheme to perform multicolor detection by exciting discrete regions of a microfluidic channel with lasers coupled to optical fibers. Emitted light is collected by an optical fiber coupled to a single photodetector. Because the excitation occurs at different spatial locations, the identity of emitted light can be encoded as a temporal shift, eliminating the need for more complicated light filtering schemes. The system has been used to detect droplet populations containing four unique combinations of dyes and to detect sub-nanomolar concentrations of fluorescein.

Multicolor fluorescence detection in droplet microfluidics typically involves bulky and complex epifluorescence microscope-based detection systems. Here we describe a compact and modular multicolor detection scheme that utilizes an array of optical fibers to temporally encode multicolor data collected by a single photodetector.

Mehrfarbenfluoreszenzdetektion für Droplet Mikrofluidik Verwendung von Optical Fibers

Fluorescence assays are the most common readouts used in droplet microfluidics due to their bright signals and fast time response. Applications such as ...

Biotechnik

Optimizing Brillouin Optical Time-Domain Analyzers Based on Gain Spectrum Engineering

Demonstrated is a unique method for sensing performance enhancement in Brillouin optical time-domain analyzers (BOTDA). A Brillouin gain spectrum (BGS) is superimposed with two symmetric Brillouin loss spectra (BLS). This leads to a complex engineered spectrum shape that is more resistant to the sensing system noise. Instead of only one pump and probe interaction as in the conventional BOTDA setup, three optical probe waves are exploited, with one probe located in the BGS and the other two symmetrically in the BLS. Due to the resistance and insensitivity of the engineered spectrum shape to the noise, the sensing performance is enhanced by 60% and the measurand resolution is doubled.

A protocol for Brillouin optical time-domain analyzers based on gain spectrum engineering is presented. Enhancements in the sensing performance, including sensing range and measurand resolution are achieved and the excess Brillouin intensity noise is studied. The protocol introduces a new way to enhance distributed Brillouin sensing performance.

Demonstrated is a unique method for sensing performance enhancement in Brillouin optical time-domain analyzers (BOTDA). A Brillouin gain spectrum (BGS) is ...