Transmission des signaux multiples à travers une fibre optique utilisant 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.

La transmission de signaux optiques indépendants multiples à travers une fibre optique multimode est réalisée en utilisant la mise en forme de front d'onde afin de compenser la distorsion de la lumière lors de la propagation dans la fibre. Notre méthodologie est basée sur la conjugaison de phase numérique optique utilisant un seul modulateur de lumière spatiale, où le front d'onde optique est modulée individuellement à différentes régions du modulateur, une région par signal lumineux. approches de conjugaison de phase optique numérique sont considérés comme plus rapide que d'autres approches de mise en forme de front d'onde, où (par exemple) une détermination complète du comportement de propagation des ondes de la fibre est réalisée. En revanche, l'approche présentée est temps efficace car il ne nécessite qu'un seul étalonnage par signal lumineux. La méthode proposée est potentiellement approprié pour l'espace de multiplexage par répartition dans l'ingénierie des communications. domaines d'application supplémentaires sont la livraison de la lumière endoscopique en biophotonique, en particulier dans optogenetics, où des cellules individuelles dans les tissus biologiques doivent être éclairés de manière sélective avec une résolution spatiale et temporelle.

La transmission des signaux lumineux multiples à travers une fibre multimode (MMF) est évidente dans les communications d' ingénierie ¹ et ² biophotonique. Dans l'ingénierie des communications, l'espace de multiplexage par répartition (SDM) est considéré comme une solution viable afin d'améliorer la capacité de transmission des fibres optiques pour les futures applications de transfert de données bénéficiant d'une plus grande utilisation de l'espace limité, par rapport à de multiples fibres monomodes ^3. Dans la biophotonique, les échantillons biologiques sont manipulés par transmission de la lumière à travers un endoscope MMF ^4. Par exemple, le contrôle optique indépendant de neurones individuels en utilisant endoscopes MMF est intéressant pour optogénétique afin d'étudier les réseaux neuronaux dans le cerveau ^5. Cependant, la lumière projetée sur la facette d'entrée MMF est soumise à une distorsion due au mode de mélange et de dispersion lors de la propagation à l'output facette de la MMF. Par conséquent, la propagation de la lumière est modifiée, ce qui rend difficile la transmission du signal.

Les méthodes de mise en forme Wavefront ^{6, 7} sont appliquées dans la diffusion des médias en utilisant des modulateurs spatiaux de lumière (SLM) et permettent la compensation de la distorsion due à la diffusion lors de propagation de la lumière ^8. Il existe des approches itératives qui optimisent la sortie en utilisant une rétroaction optique ^9. Ces approches sont assez de temps à cause de la nécessité de nombreuses itérations et le degré élevé de liberté, correspondant à un grand nombre d'éléments de modulateur. Une autre approche consiste à déterminer complètement la distorsion dans le MMF décrit par sa matrice de transmission ^10. Si le nombre de modes à transmettre est important, ce sera beaucoup de temps aussi bien. A l'inverse, la conjugaison de phase optique numérique (DOPC) est considéré commerapide et avantageuse ici, puisque seulement quelques points focaux doivent être générés à la facette de sortie du MMF. Des approches de conjugaison de phase a également été démontrée pour la focalisation ou de l' imagerie à travers un tissu biologique ^{12, 13, 14.}

Jusqu'à présent, DOPC a été utilisé pour un signal temporel unique ^{15, 16,} et a été appliqué pour la transmission de la lumière à travers un MMF ^17. Une approche de DOPC pour plusieurs signaux indépendants n'a pas été accompli. Nous avons développé une méthode de DOPC améliorée fournissant la transmission indépendante de multiples signaux de lumière utilisant front d' onde individuelle de mise en forme pour chaque signal en utilisant une seule phase seulement SLM ^18. Dans ce but, le SLM est segmentée en régions, une pour chaque signal à transmettre. Le montage expérimental proposé est représenté sur la figure 1Où un étalonnage est réalisé en a) avant la transmission réelle se produit en b).

Figure 1: Montage expérimental. BS = diviseur de faisceau, un dispositif à couplage de charge CCD =, OM = modulateur optique, CMOS = semi-conducteur complémentaire métal-oxyde, HWP = plaque demi-onde, L = objectif, LP = polariseur linéaire, MMF = fibre multimode, objectif OBJ = microscope, PBS = diviseur de faisceau polarisant, SLM = modulateur spatial de lumière (phase uniquement) - seuls faisceaux pertinents pour (a) l'étalonnage et (b) la transmission sont représentés S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

1. Montage de l'installation expérimentale

1. Préparation de la partie proximale
   1. Placer et fixer le laser fournissant un faisceau de lumière collimatée - ou utiliser un laser à fibre couplée à une optique de collimation à la facette de sortie de la fibre.
   2. Mettez le diviseur de faisceau polarisant (PBS) pour diviser le faisceau laser en référence et faisceau objet. Tourner l'orientation des lames d'onde demi (PLR) en faisant tourner le HWP dans sa rotation monter jusqu'à ce que la puissance du faisceau de référence et faisceau objet (sur le côté distal) est à peu près la même chose. Vérifiez cela en mettant un écran à la fois référence et faisceau objet. Choisir l'orientation du PBS de telle sorte que la polarisation du faisceau de référence correspond à la modulation spatiale de lumière sensible à la polarisation (SLM).
   3. Placer un séparateur de faisceau (BS) dans le faisceau de référence pour diviser le faisceau de référence en deux faisceaux. Placer les modulateurs optiques (OM) de sorte que ces deux faisceaux issus BS1 peuvent passer OM1 et OM2, respectivement.
   4. Combinez les deux faisceaux passant OM1 et OM2 à BS2 employant deux miroirs. Réglez les séparateurs de faisceau et des miroirs de telle sorte que les deux faisceaux sont séparés spatialement.
   5. aligner soigneusement BS5 pour faire en sorte que la direction d'incidence des deux faisceaux est perpendiculaire au plan des pixels du SLM, BS3 et BS4 ignorer au début. Dans un premier temps , rien est affiché sur le SLM, à savoir, elle agit comme un miroir jusqu'à la fin de l'étalonnage (tout au long de l' étape 2).
   6. Ajustez la position et la distance entre les deux lentilles (L) constituant un télescope Keplerian afin d'obtenir une image nette du plan SLM sur la caméra semi-conducteur complémentaire métal-oxyde (CMOS). Regardez l'orientation correcte de L1 et L2 (côtés plats se font face) pour minimiser les aberrations.
2. Préparation du côté distal
   1. Utilisez BS7 pour diviser le faisceau d'objet en deux faisceaux et les combiner à BS8 employant deux miroirs. Encore une fois, ajuster les séparateurs de faisceaux et mirrors de sorte que les deux faisceaux sont séparés spatialement.
   2. Détourner les deux faisceaux en utilisant BS9 pour les viser à l'objectif du microscope (OBJ). Concentrer OBJ2 sur l'extrémité distale de la fibre multimode (MMF). Vérifiez la mise au point en observant le reflet de retour de la MMF employant L3 et un dispositif (CCD) à couplage de charge.
3. Connexion proximale et distale
   1. Collimater la lumière du faisceau objet sortant du MMF employant OBJ1.
   2. Diviser le faisceau objet en utilisant BS6, ignorer le polariseur linéaire (LP) au premier abord. Combiner les deux faisceaux d'objets avec les deux faisceaux de référence à BS3 et BS4 employant un miroir. Réglez les séparateurs de faisceau et des miroirs de telle sorte que chaque paire de référence et le chevauchement de faisceau objet au SLM, coupant avec un petit angle (moins de 1 °).
   3. Veiller à ce que la puissance de la référence et le faisceau objet sont approximativement égales en tournant l'orientation du HWP, selon l'étape 1.1.2.
   4. Vérifiez l'interférence pattern (hors axe hologramme) à la caméra CMOS et d'ajuster l'angle d'intersection en conséquence. Augmenter l'angle, jusqu'à ce que l'espacement de franges d'interférence est égale à environ la taille de deux pixels de la caméra CMOS.
   5. Ajustez l'orientation de la LP pour correspondre à la polarisation de l'objet et le faisceau de référence afin d'obtenir un contraste maximum du motif d'interférence dans l'image de la caméra CMOS, de sorte que l'image de la caméra montre des franges distinctes.

2. Calibrage du système

1. Calibrage de la relation entre les pixels SLM et CMOS
   1. Illuminer l'ensemble SLM en utilisant seulement l'un des faisceaux de référence et de bloquer les autres objets de référence et les poutres.
   2. Capturer une image du SLM avec la caméra CMOS.
   3. Obtenez les coordonnées du coin supérieur gauche de la SLM à l'image de la caméra CMOS, par exemple en utilisant un logiciel graphique et le curseur de la souris sur le PC. Utilisez ces coordonnées de pixel comme point d'origineen ce qui concerne le SLM.
   4. Retirez tous les blocs de faisceau.
2. Calibrer les chemins de signaux
   1. Bloquer les deux faisceau de référence 2 et faisceau objet 2.
   2. Capturer une image de l'hologramme avec la caméra CMOS. Évaluer la phase dans l'hologramme enregistré en utilisant la méthode du spectre angulaire ^19. Calculer la phase inversée dans la région correspondante du faisceau 1.
   3. Retirez les anciens blocs de faisceau et maintenant bloquer les deux faisceau de référence 1 et faisceau objet 1.
   4. Capturer une image de l'hologramme avec la caméra CMOS. Mesurer la phase de l'hologramme enregistré en utilisant à nouveau la méthode de spectre angulaire. Calculer la phase inversée à la région correspondante du faisceau 2.
   5. Retirez tous les blocs de faisceau.

3. Transmission des signaux

1. Bloquer le faisceau objet.
2. Assembler les images de phases inversées calculées aux régions correspondantes du faisceau 1 et 2 ensemble et afficher laimage entière sur le SLM, généralement en utilisant le port de l'infographie.
3. Lancer la modulation des signaux d'entrée 1 et 2 en activant OM1 et OM2.
4. Observer les signaux de sortie 1 et 2 sur la caméra CCD.

Des signaux de sortie typiques du côté distal du 2 m de longueur de fibre sont représentés sur la figure 2. Notez que la tache focale souhaitée (pic) est accompagné d'un motif moucheté indésirable (fond), qui est due à l'imperfection de la DOPC comme une question de principe. Le rapport de crête à fond correspondant (PBR) se monte à 53 (uniquement le signal 1 est 'on'), 36 (uniquement le signal 2 est «on») et 20 (les deux signaux 1 et 2 sont 'sur') ici, respectivement . Le PBR peut être augmentée quand une fibre qui prend en charge un plus grand nombre de modes (actuellement: 1710) est utilisé.

En raison du PBR fini, il en résulte une diaphonie entre les signaux de sortie, qui est visualisée sur la figure 3. La diaphonie entre les signaux périodiques avec les fréquences F1 et F2 revient à -24 dB (2 à partir du signal pour signaler 1) et -29 dB (à partir du signal 1 pour signaler 2).

Figure 3: temporelle spectre de fréquence du signal de sortie transmis à 1 ( à gauche) et 2 ( à droite). Amplitude [au] S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

L'assemblage du dispositif expérimental (étape 1 dans le protocole) nécessite un alignement intime des composants optiques par rapport à l'autre. L'aspect le plus important est l'incidence rectangulaire des faisceaux de référence sur le SLM afin d'assurer un haut PBR.

Afin d'améliorer la configuration à plus de deux signaux transmis, séparateurs de faisceaux supplémentaires pourraient être utilisés. Comme alternative, une mise en œuvre à base de fibres serait plus compact et robuste permettant au système d'être portable pour investigations in situ en biophotonique. Si un accès d'un seul côté est possible que des solutions d'étalonnage à base de modèles ²⁰ doivent être réalisés comme une étape future. Plus les signaux sont transmis, plus les modes seront nécessaires afin que plus de pixels à la fois sur le SLM et la caméra CMOS devront participer à la réalisation d'un PBR. En outre, le nombre de pixels doit être supérieur ou égal au nombre de modes. En additioncondition, la taille des pixels du SLM doit être deux fois la taille du plus petit diamètre de tavelures au niveau du côté proximal. Il est en outre recommandé que le SLM a une profondeur de bits d'au moins quatre bits. Le nombre de pixels de la caméra notée CMOS devrait être supérieur au nombre des pixels SLM. Cependant, au lieu de la caméra CMOS tout autre type de détecteur peut être utilisée, par exemple CCD. La même chose vaut pour la caméra notée avec CCD.

Une limitation de la méthode proposée est que la source lumineuse nécessite une grande longueur de cohérence (faible largeur de bande spectrale) pour assurer l'interférence dans l'hologramme nécessaire pour la mesure de phase. En outre, le système doit être stable, à savoir aucune modification de la fibre ou de la configuration optique entre l'étalonnage et la transmission sont tolérables qui sont plus rapides que la durée de l'étalonnage, qui est actuellement inférieure à 1 s. Pour fibres longues et hautes fréquences du signal, la dispersion de vitesse de groupe des différents modes de fibres aà prendre en compte et peut se détériorer du signal. Pour compenser cela, les fibres à gradient d'indice ou la correction des distorsions spatiotemporelles ²¹ peuvent être utilisés.

Contrairement aux approches de conjugaison de phase précédente, notre méthode SDM proposée peut être utilisée dans des applications où des signaux lumineux indépendants doivent être transmises. méthodes Phase de conjugaison sont avantageux en ce qui concerne la performance du temps, par rapport à des approches itératives ou de la détermination de la matrice complète.

Un autre domaine d'application potentiel peut être la livraison de la lumière endoscopique, par exemple à des pièges optiques ou optogénétique. Pour optogénétique, notre procédé est avantageux en ce qui concerne l'illumination sélective des neurones simples dans le but d'analyser le comportement du cerveau et de mieux comprendre les maladies neurodégénératives.

The authors have nothing to disclose.

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