העברת אותות מרובים דרך סיב אופטי באמצעות Wavefront לעיצוב

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.

העברת אותות אופטיים מרובים עצמאיים באמצעות סיב multimode מושגת באמצעות עיצוב חזית גל על ​​מנת לפצות על העיוות הקלה במהלך ההתפשטות בתוך הסיב. המתודולוגיה שלנו מבוססת על נטיית שלב דיגיטלית אופטי העסיקה רק מאפנן אור מרחבי יחיד, שבו חזית הגל האופטית מווסתת באופן פרטני על אזורים שונים של אפנן, באזור אחד לכל אות אור. גישות נטיית שלב אופטי דיגיטליות נחשבות מהר יותר מאשר גישות בעיצוב חזית גל שניות, שם (למשל) קביעה מלאה של התנהגות גל ההפצה של הסיבים מתבצעת. לעומת זאת, הגישה המוצגת היא זמן יעיל שכן הוא רק דורש כיול אחד לכל אות אור. השיטה המוצעת מתאימה פוטנציאלי עבור ריבוב חלוקת מרחבית בהנדסת תקשורת. שדות יישום נוספים הם משלוח האור אנדוסקופית ב Biophotonics, במיוחד optogenetics, שבו תאים בודדים ברקמות ביולוגיות צריכים להיות מואר באופן סלקטיבי עם רזולוציה גבוהה במרחב ובזמן.

העברת אותות אור מרובים באמצעות סיב multimode (MMF) בא לידי ביטוי קומוניקציות הנדסיות ¹ ו Biophotonics ^2. בהנדסת תקשורת, ריבוב שטח החלוק (SDM) הוא האמין להיות פתרון בר קיימא על מנת לשפר את יכולת ההולכה של סיבים אופטיים עבור יישומי העברת נתונים עתידיים מרוויחה ניצול גבוה של השטח המוגבל, לעומת סיבים במצב יחיד מרובים ^3. בשנת Biophotonics, דגימות ביולוגיות הן מניפולציות על ידי שידור האור דרך אנדוסקופ MMF ^4. לדוגמא, השליטה האופטית העצמאית של נוירונים בודדים באמצעות אנדוסקופים MMF היא עניין של optogenetics כדי ללמוד רשתות נוירונים במוח ^5. עם זאת, האור מוקרן על היבט קלט MMF כפוף עיוות עקב ערבוב במצב ופיזור במהלך התפשטות אל outpuהיבט t של MMF. כתוצאה מכך, התקדמות האור משתנה, מה שהופך אות השידור מאתגר.

Wavefront בעיצוב שיטות ^{6, 7} מיושמות פיזור מדיה באמצעות מאפנני אור מרחבים (SLM) ולאפשר פיצוי על העיוות בשל פיזור במהלך התקדמות אור ^8. ישנן גישות איטרטיבי המביאות למרב את התפוקה באמצעות משוב אופטי ^9. גישות אלה הן זמן רב למדי בגלל הצורך חזרות רבות ואת הרמה הגבוהה של חופש, מתאים למספר רב של אלמנטים אפננו. גישה נוספת היא לקבוע את העיוות לחלוטין בתוך MMF שתואר על ידי מטריקס התמסורת שלה ^10. אם מספר מצבים להיות משודר הוא גדול, זה יהיה זמן רב גם כן. לעומת זאת, נטיית שלב דיגיטלית אופטי (dOPC) נחשבתמהיר יתרון כאן, מאז רק כמה מוקדי כתמים צריך להיווצר על היבט פלט של MMF. גישות נטיית שלב גם הוכחו למיקוד או הדמיה באמצעות רקמות ביולוגיות ^{12, 13, 14.}

עד כה, dOPC הועסק אות פעם אחת בלבד ^{15, 16,} ויושם להעברת אור דרך MMF ^17. גישת dOPC עבור אותות עצמאיים רבים לא הושגה. פתחנו שיטת dOPC משופרת לספק את השידור העצמאי של אותות אור מרובים באמצעות חזית גל פרט בעיצוב עבור כל אות העסקת יחיד שלב בלבד SLM ^18. למטרה זו, את SLM הוא מקוטע לתוך אזורים, אחד לכל אות להיות משודר. הגדרת הניסוי המוצעת מתוארת באיור 1, שבו הכיול מתבצע) לפני השידור בפועל קורה ב).

איור 1: הגדרת ניסוי. BS = קרן splitter, CCD = מכשיר תשלום מצמיד, OM = אפנן אופטי, CMOS = metal-oxide semiconductor משלימה, HWP = חצי גל צלחת, L = עדשה, מקטב ליניארי LP =, סיבי multimode MMF =, מטרת OBJ = מיקרוסקופ, PBS = מקטב הקרן splitter, SLM = מאפנן אור מרחבים (שלב בלבד) - רק קורות רלוונטיים (א) הכיול (ב) ההעברה המתוארות אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

1. רכבת ההתקנה הניסיונית

1. הכנתי בצד הפרוקסימלי
   1. מניחים ולתקן את לייזר מתן קרן קרני אור מקבילות - או להשתמש בלייזר בשילוב סיבים עם אופטיקה collimation על היבט היציאה של סיבים.
   2. שים ספליטר הקורה מקטב (PBS) לפצל את קרן הלייזר לתוך הפניה ו קרן האובייקט. סובבו את הכיוון של צלחות גל חצי (HWP) על ידי החלפה של HWP ברוטציה שלה הר עד כוח של קרן הייחוס קרן האובייקט (בצד הדיסטלית) הוא בערך אותו הדבר. בדוק זאת על ידי הצבת מסך לשני התייחסות קרן האובייקט. בחר את הכיוון של PBS כך הקיטוב של קרן ההתייחסות מתאים מאפנן אור מרחבי רגיש קיטוב (SLM).
   3. שים מפצל קרן (BS) לתוך קרן ההתייחסות לפצל את קורה ההתייחסות לשתי קורות. מניחים את מאפננים אופטיים (OM) כגון ששני אלה קורות המגיעים BS1 יכול לעבור OM1 ו OM2, בהתאמה.
   4. מערבבים את שתי אלומות עובר OM1 ו OM2 ב BS2 העסקת שתי מראות. התאם את מפצלי הקרן ומראה כך קורות שניהם מופרדים מרחבית.
   5. בזהירות ליישר BS5 כדי להבטיח שהכיוון של שכיחות הן קורות הוא בניצב למישור פיקסל של SLM, התעלמות BS3 ו BS4 בהתחלה. בהתחלה, לא מוצג דבר על SLM, כלומר, היא פועלת כמו מראה עד סוף הכיול (בכל שלב 2).
   6. להתאים את המיקום ואת המרחק בין שתי עדשות (L) המהווים טלסקופ קפלרי על מנת לקבל תמונה חדה של מטוס SLM על metal-oxide semiconductor משלימה המצלמה (CMOS). צפה הכיוון הנכון של L1 ו- L2 (צדדים שטוחים הם פונים זה לזה) כדי למזער סטיות.
2. הכנתי בצד הדיסטלי
   1. השתמש BS7 לפצל את קרן האובייקט לשתי קורות ולשלב אותם BS8 העסיק שתי מראות. שוב, להתאים את מפצלי קרן ותערובותrrors כך קורות שניהם מופרדים מרחבית.
   2. להסיט הוא קורה באמצעות BS9 לכוון אותם אל מטרת מיקרוסקופ (OBJ). פוקוס OBJ2 על הקצה הדיסטלי של סיבי multimode (MMF). בדוק את המיקוד על ידי התבוננות בהשתקפות בחזרה מן MMF העסקת L3 ומצלמה תשלום מצמידים מכשיר (CCD).
3. הפרוקסימלי חיבור בצד הדיסטלי
   1. Collimate האור מן הקורה אובייקט היציאה OBJ1 העסקת MMF.
   2. פיצול קרן אובייקט באמצעות BS6, להתעלם מקטב ליניארי (LP) בהתחלה. שלב שני קורות האובייקט בשתי קורות ההתייחסות ב BS3 ו BS4 העסיק במראה. התאם את מפצלי הקרן ומראה כך שכל זוג של התייחסות חפיפת קרן עצם כלשהו על SLM, מצטלב עם זווית קטנה (פחות מ -1 °).
   3. ודאו שאספקת המתח של ההפניה ואת קרן האובייקט הם שווה בערך ידי סיבוב האוריינטציה של HWP, בהתאם לשלב 1.1.2.
   4. בדוק את ההפרעה pattern (מחוץ ציר הולוגרמה) אל מצלמת CMOS ולהתאים את זווית החיתוך בהתאם. הגדל את הזווית, עד ריווח שולי הפרעה בערך שווה לגודל של שני פיקסלים על מצלמת CMOS.
   5. לשנות את הכיוון של LP כדי להתאים את הקיטוב של אובייקט קרן התייחסות על מנת לקבל ניגוד מרבי של תבנית ההתאבכות בתמונת מצלמת CMOS, כך שתמונת המצלמה מראה בשולים ברורים.

2. כיול המערכת

1. כיול ביחס פיקסל בין SLM ו- CMOS
   1. להאיר את כולו SLM להשתמש רק באחת קורה ההתייחסות ולחסום את ההתייחסות האחרת ואובייקטים קורים.
   2. צילום תמונה של SLM עם מצלמת CMOS.
   3. קבלת הקואורדינטות של בפינה השמאלית העליונה של SLM בתמונת מצלמת CMOS, למשל באמצעות תוכנת גרפיקת סמן העכבר על המחשב. השתמש קואורדינטות פיקסל אלה כנקודת המוצאלגבי SLM.
   4. הסר את כל קוביות הקורה.
2. כיול אות הנתיבים
   1. חסום הן קרן התייחסות קרן 2 ואובייקט 2.
   2. צילום תמונה של ההולוגרמה עם מצלמת CMOS. להעריך בשלב ב בהולוגרמה רשמה בשיטת ספקטרום זוויתי ^19. לחשב את השלב הפוך באזור המקביל קורה 1.
   3. הסר את קוביות קרן לשעבר ועכשיו לחסום את שתי קורות התייחסות קרן 1 ואובייקט 1.
   4. צילום תמונה של ההולוגרמה עם מצלמת CMOS. מדוד את השלב ב בהולוגרמה רשמה בשיטת ספקטרום זוויתי שוב. לחשב את השלב הפוך על האזור המקביל קרן 2.
   5. הסר את כל קוביות הקורה.

3. שידור האותות

1. חסום את קרן האובייקט.
2. לתפור את התמונות בשלב הפוכות מחושבות לפי האזורים המקבילים של קרן 1 ו -2 יחד ולהציג אתהתמונה כולה על SLM, בדרך כלל באמצעות יציאת גרפיקה ממוחשבת.
3. הפעל את האפנון של אותות קלט 1 ו -2 על ידי הפעלת OM1 ו OM2.
4. שימו לב אותות הפלט 1 ו -2 על מצלמת CCD.

אותות פלט אופייניים בצד הדיסטלי של הסיבים הארוכים 2 מ 'מתוארים באיור 2. ראוי לציין, כי במקום מוקד הרצוי (שיא) מלווה דפוס רבב רצוי (ברקע), אשר בשל חוסר שלמות של dOPC כעניין של עיקרון. יחס שיא-רקע המקביל (PBR) מסתכם 53 (רק האות 1 הוא 'על'), 36 (רק האות 2 'מופעלת') ו -20 (שני אותות 1 ו -2 'מופעלת') כאן, בהתאמה . PBR יכול להתארך כאשר סיב התומך במספר רב יותר של מצבים (כיום: 1710) משמש.

בשל PBR הסופית, תוצאות crosstalk בין אותות הפלט, אשר דמיינה באיור 3. ערב הדיבור בין לאותות תקופתיים עם F1 תדרי f2 מסתכם -24 dB (מן האות 2 לאותת 1) ו -29 dB (מן האות 1 לאותת 2).

איור 3: ספקטרום תדרים זמני של אות המוצא המשודרת 1 (משמאל) ו -2 (מימין). Amplitude [au] אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

להרכבת הגדרת הניסוי (שלב 1 בפרוטוקול) דורשת התאמה יסודית של הרכיבים האופטיים עם כבוד זה לזה. ההיבט החשוב ביותר הוא השכיחות המלבנית של קורות הפניה על SLM כדי להבטיח גבוהה PBR.

על מנת לשפר את ההתקנה יותר משני אותות משודרים, מפצלי קרן נוספים יכולים לשמש. כחלופה, יישום מבוסס סיבים יהיה יותר קומפקטי וחזק המאפשרים למערכת להיות ניידת בחקירות באתרו Biophotonics. אם גישה אחת בצד אפשרית רק, פתרונות כיול מבוסס מודל ²⁰ צריכים להיות מושלמים כצעד בעתיד. האותות יותר משודרים, המצבים יותר יידרשו כך יותר פיקסלים הוא SLM ומצלמת CMOS יצטרכו להיות מעורבים להשגת PBR. יתר על כן, מספר הפיקסלים צריך להיות גדול או שווה למספר מצבים. במודעהdition, גודל פיקסל של SLM צריך להיות פעמיים את גודל קוטר רבב הקטן בצד הפרוקסימלי. מומלץ עוד כי SLM יש עומק קצת קצת ארבעה לפחות. מספר הפיקסלים של המצלמה המצוינת עם CMOS יעלה את מספר הפיקסלים SLM. עם זאת, במקום את מצלמת CMOS כל סוג גלאים אחר יכול להיות מועסק, CCD למשל. הוא הדין המצלמה מצוינת עם CCD.

מגבלה אחת של השיטה המוצעת היא שמקור האור דורש אורך קוהרנטיות גדול (רוחב פס רפאים נמוך) כדי להבטיח התערבות בהולוגרמה הדרושים למדידת השלב. בנוסף, המערכת חייבת להיות יציבה, כלומר אין שינויים של הסיבים או ההתקנה האופטית בין הכיול וההעברה הם נסבלים כי הם מהירים יותר מאשר משך הכיול, אשר נמצא כעת מתחת ל -1 ים. עבור סיבים ארוכים ותדרי אות גבוהים, פיזור מהירות חבורה של מצבי סיבים השונים ישלהילקח בחשבון עלול להידרדר האות. כדי לפצות על זה, סיבי שיפוע-מדד או תיקון של עיוותים spatiotemporal ²¹ ניתן להשתמש.

בניגוד לגישות נטיית שלב קודם, שיטת SDM המוצעת שלנו יכולה לשמש ביישומים, שבו אותות אור עצמאיים צריכים להיות משודרים. שיטות נטיית פזה יתרון בנוגע לביצועי זמן, לעומת גישות איטרטיבי או קביעת מטריקס מלאה.

שדה יישום פוטנציאל נוסף אפשר כמסירת אור אנדוסקופית, למשל ב מלכודות אופטיות או optogenetics. לקבלת optogenetics, בשיטה שלנו יש יתרון לגבי תאורה סלקטיבית של נוירונים בודדים כדי לנתח את ההתנהגות של המוח ולהבין טוב יותר במחלות ניווניות.

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.