La trasmissione di segnali multipli attraverso una fibra ottica Utilizzando 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 trasmissione di più segnali ottici indipendenti attraverso una fibra multimodale viene eseguita mediante formatura fronte d'onda al fine di compensare la distorsione della luce durante la propagazione all'interno della fibra. La nostra metodologia si basa su digitale coniugazione di fase ottica utilizzando solo un singolo modulatore spaziale di luce, in cui il fronte d'onda ottica è modulata individualmente in diverse regioni del modulatore, una regione al segnale luminoso. approcci coniugazione di fase ottica digitali sono considerati più veloce di altri wavefront modellatura approcci, dove (per esempio) viene eseguita una determinazione completa del comportamento di propagazione dell'onda della fibra. Al contrario, il metodo presentato è tempo efficiente poiché richiede soltanto una calibrazione per ogni segnale luminoso. Il metodo proposto è potenzialmente appropriato per spaziale multiplexing divisione in Ingegneria delle telecomunicazioni. Ulteriori campi di applicazione sono la consegna luce endoscopica in biofotonica, in particolare in optogenetics, dove le cellule singole in tessuto biologico devono essere selettivamente illuminati con alta risoluzione spaziale e temporale.

La trasmissione di più segnali di luce attraverso una fibra multimodale (MMF) è evidente nelle comunicazioni di ingegneria ¹ e ² biofotonica. In Ingegneria delle telecomunicazioni, spazio-division multiplexing (SDM) si crede di essere una soluzione praticabile al fine di migliorare la capacità di trasmissione delle fibre ottiche per le future applicazioni di trasferimento dati che beneficiano di un maggiore utilizzo dello spazio limitato, rispetto a più fibre monomodali ^3. In biofotonica, campioni biologici sono manipolati trasmettendo la luce attraverso un endoscopio MMF ^4. Ad esempio, il controllo ottico indipendente dei singoli neuroni utilizzando endoscopi MMF è di interesse per optogenetics per studiare reti neuronali nel cervello ^5. Tuttavia, la luce proiettata sulla sfaccettatura di ingresso MMF è soggetto a distorsione dovuta alla modalità di miscelazione e dispersione durante la propagazione al output aspetto del MMF. Come risultato, la propagazione della luce viene alterata, che rende difficile la trasmissione del segnale.

Wavefront metodi di formatura ^{6, 7} sono applicati in dispersione media utilizzando modulatori spaziali di luce (SLM) e consentire la compensazione per la distorsione a causa di dispersione durante la propagazione della luce ^8. Ci sono approcci iterativi che ottimizzano l'uscita utilizzando un feedback ottico ^9. Questi approcci sono piuttosto tempo a causa della necessità per numerose iterazioni e l'alto grado di libertà, corrispondente ad un gran numero di elementi modulatori. Un altro approccio è quello di determinare completamente i distorsione ai MMF descritto dal suo matrice di trasmissione ^10. Se il numero di modalità da trasmettere è grande, questo sarà tempo pure. In contrasto, digitale coniugazione di fase ottica (DOPC) è consideratoveloce e vantaggioso qui, dal momento che solo pochi punti focali devono essere generata nel sfaccettatura uscita del MMF. Approcci coniugazione di fase sono stati dimostrati per focalizzare o immagini attraverso tessuto biologico ^{12, 13, 14.}

Finora, DOPC stato impiegato per un singolo segnale volta solo ^{15, 16,} ed è stato applicato per la trasmissione della luce attraverso un MMF ^17. Un approccio DOPC per molteplici segnali indipendenti non è stato realizzato. Abbiamo sviluppato un metodo DOPC migliorata fornendo la trasmissione indipendente di più segnali luminosi utilizzando wavefront individuale sagomatura per ciascun segnale impiegando un singolo di sola fase SLM ^18. A questo scopo, il SLM è segmentata in regioni, uno per ogni segnale da trasmettere. L'apparato sperimentale proposto è mostrata in figura 1, Dove una calibrazione viene eseguita in a) prima della trasmissione effettiva accade in b).

Figura 1: configurazione sperimentale. BS = divisore di fascio, CCD = dispositivo ad accoppiamento di carica, OM = modulatore ottico, CMOS = Complementary Metal-Oxide Semiconductor, HWP = metà piatto dell'onda, L = lente, LP = polarizzatore lineare, MMF = fibra multimodale, obiettivo OBJ = microscopio, PBS = polarizzazione divisore di fascio, SLM = modulatore spaziale di luce (fase unica) - solo travi rilevanti per (a) la calibrazione e (b) la trasmissione sono raffigurati cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

1. Montaggio del setup sperimentale

1. Preparazione della parte prossimale
   1. Posizionare e fissare il laser che emette un fascio di luce collimato - o utilizzare un laser accoppiato in fibra ottica con collimazione alla sfaccettatura all'uscita della fibra.
   2. Mettere il divisore di fascio polarizzante (PBS) per dividere il raggio laser in riferimento e fascio oggetto. Ruotare l'orientamento delle piastre semionda (HWP) ruotando il HWP nella sua rotazione montare finché l'alimentazione del fascio di riferimento e fascio oggetto (sul lato distale) è circa la stessa. Controllare questo mettendo uno schermo in entrambi riferimento e fascio oggetto. Scegliere l'orientamento della PBS in modo che la polarizzazione del fascio di riferimento si inserisce il modulatore spaziale di luce polarizzazione-sensitive (SLM).
   3. Mettere un divisore di fascio (BS) nel fascio di riferimento per dividere il fascio di riferimento in due fasci. Posizionare i modulatori ottici (OM) tali che questi due fasci provenienti da BS1 possono passare OM1 e OM2, rispettivamente.
   4. Unire i due fasci di passaggio OM1 e OM2 a BS2 impiegando due specchi. Regolare i separatori di fasci e specchi in modo che entrambi i fasci sono spazialmente separate.
   5. allineare attentamente BS5 per assicurare che la direzione di incidenza di entrambi i fasci è perpendicolare al piano pixel del SLM, BS3 ignorando e BS4 all'inizio. In un primo momento, non viene visualizzato sul SLM, cioè, agisce come uno specchio fino al termine della taratura (durante il passaggio 2).
   6. Regolare la posizione e la distanza tra le due lenti (L) costituente un telescopio kepleriano per ottenere un'immagine nitida del piano SLM sulla telecamera Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS). Osservare il corretto orientamento di L1 e L2 (facce piane di fronte all'altra) per minimizzare le aberrazioni.
2. Preparazione della parte distale
   1. Utilizzare BS7 per dividere il fascio oggetto in due fasci e combinarle a BS8 impiegando due specchi. Anche in questo caso, regolare i separatori di fasci e mirrors modo che entrambi i fasci sono spazialmente separate.
   2. Deviare entrambe le travi utilizzando BS9 loro mirare all'obiettivo del microscopio (OBJ). Fuoco OBJ2 sull'estremità distale della fibra multimodale (MMF). Controllare la messa a fuoco osservando il riflesso indietro dal MMF impiegando L3 e un dispositivo di fotocamera ad accoppiamento di carica (CCD).
3. Prossimale Collegamento e parte distale
   1. Collimare la luce dal fascio oggetto uscita dal MMF impiegando OBJ1.
   2. Dividere il fascio oggetto utilizzando BS6, ignorare il polarizzatore lineare (LP) in un primo momento. Combinare entrambi i fasci di oggetto con entrambi i fasci di riferimento a BS3 e BS4 impiegano uno specchio. Regolare i divisori di fascio e specchi in modo che ciascuna coppia di riferimento e la sovrapposizione fascio oggetto allo SLM, intersecante con un piccolo angolo (meno di 1 °).
   3. Assicurarsi che la potenza di riferimento e la trave oggetto sono all'incirca uguali ruotando l'orientamento del HWP, secondo la fase 1.1.2.
   4. Controllare l'interferenza pattern (fuori asse ologramma) alla telecamera CMOS e regolare l'angolo di intersezione di conseguenza. Aumentare l'angolo, fino a quando la distanza interferenza frangia è uguale o meno le dimensioni di due pixel della fotocamera CMOS.
   5. Regolare l'orientamento del LP per abbinare la polarizzazione del fascio di riferimento dell'oggetto e per ottenere un contrasto massimo della figura di interferenza immagine della telecamera CMOS, in modo che l'immagine della telecamera mostra frange distinti.

2. Calibrazione del sistema

1. Calibrazione della relazione pixel tra SLM e CMOS
   1. Illuminare tutta SLM utilizzando solo uno dei fasci di riferimento e bloccare l'altro riferimento e oggetti travi.
   2. Acquisire un'immagine SLM con la fotocamera CMOS.
   3. Ottenere le coordinate dell'angolo superiore sinistro della SLM immagine della telecamera CMOS, ad esempio, utilizzando software di grafica e il cursore del mouse sul PC. Utilizzare queste coordinate pixel come il punto di origineper quanto riguarda l'SLM.
   4. Rimuovere tutti i blocchi del fascio.
2. Calibrazione dei percorsi di segnale
   1. Bloccare entrambi riferimento fascio 2 e l'oggetto del fascio 2.
   2. Acquisire un'immagine dell'ologramma con la fotocamera CMOS. Valutare la fase nell'ologramma registrati utilizzando il metodo dello spettro angolare ^19. Calcolare la fase invertita nella regione corrispondente trave 1.
   3. Rimuovere i blocchi ex fascio e ora bloccare sia di riferimento trave 1 e oggetto trave 1.
   4. Acquisire un'immagine dell'ologramma con la fotocamera CMOS. Misurare la fase nell'ologramma registrato con nuovo metodo spettro angolare. Calcolare la fase invertita al corrispondente regione del fascio 2.
   5. Rimuovere tutti i blocchi del fascio.

3. trasmettere i segnali

1. Bloccare il fascio oggetto.
2. Unire le immagini di fase invertite calcolati ai corrispondenti regioni del fascio 1 e 2 insieme e visualizzare ilintera immagine sullo SLM, tipicamente utilizzando la porta grafica computerizzata.
3. Avviare la modulazione dei segnali di ingresso 1 e 2 attivando OM1 e OM2.
4. Osservare i segnali di uscita 1 e 2 sulla fotocamera CCD.

Segnali di uscita Tipici a lato distale della fibra 2 m di lunghezza sono descritte nella Figura 2. Si noti che il punto focale desiderata (picco) è accompagnato da un speckle indesiderato (background), che è dovuto all'imperfezione della DOPC come questione di principio. Il corrispondente rapporto picco-a-fondo (PBR) è pari a 53 (solo il segnale 1 è 'on'), 36 (solo segnale 2 è 'on') e 20 (entrambi i segnali 1 e 2 sono 'on') qui, rispettivamente, . Il PBR può essere aumentata quando una fibra che supporta un maggior numero di modi: è usato (attualmente 1710).

Grazie al finito PBR, una diafonia risultati tra i segnali di uscita, che viene visualizzato in figura 3. Il crosstalk tra di segnali periodici con le frequenze F1 e F2 è pari a -24 dB (da segnale 2 al segnale 1) e -29 dB (da segnale 1 per la segnalazione 2).

Figura 3: spettro di frequenza temporale del segnale di uscita trasmesso 1 (a sinistra) e 2 (a destra). Amplitude [au] Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Il montaggio del setup sperimentale (passaggio 1 nel protocollo) richiede un allineamento accurato dei componenti ottici rispetto all'altro. L'aspetto più importante è l'incidenza rettangolare delle travi di riferimento e la SLM, al fine di garantire un elevato PBR.

Al fine di migliorare la configurazione a più di due segnali trasmessi, separatori di fasci aggiuntivi potrebbero essere utilizzati. In alternativa, una implementazione a base di fibre sarebbe più compatta e robusta consente al sistema di essere portatile per indagini in situ in biofotonica. Se è possibile un accesso singolo solo lato, soluzioni di calibrazione basati su modelli ²⁰ devono essere realizzato come un passaggio successivo. I più segnali vengono trasmessi i più modalità saranno tenuti in modo più pixel sia sul SLM e la fotocamera CMOS dovranno essere coinvolti per il raggiungimento di un PBR. Inoltre, il numero di pixel deve essere maggiore o uguale al numero di modi. in annunciocondizione, la dimensione dei pixel del SLM dovrebbe essere il doppio del diametro minore speckle al lato prossimale. Si raccomanda inoltre che la SLM ha una profondità di bit di almeno quattro bit. Il numero di pixel della telecamera indicato con CMOS deve superare il numero dei pixel SLM. Tuttavia, invece di fotocamera CMOS qualsiasi altro tipo di rivelatore può essere impiegata, ad esempio CCD. Lo stesso vale per la fotocamera indicato con CCD.

Una limitazione del metodo proposto è che la sorgente luminosa richiede una grande lunghezza di coerenza (bassa larghezza di banda spettrale) per assicurare interferenze nell'ologramma necessario per la misura di fase. Inoltre, il sistema deve essere stabile, ovvero nessuna modifica della fibra o la configurazione ottica tra la taratura e la trasmissione sono tollerabili che sono più veloci rispetto alla durata della calibrazione, che attualmente è inferiore a 1 s. Per fibre lunghe e alte frequenze dei segnali, la dispersione della velocità di gruppo dei diversi modi di fibre hada prendere in considerazione e può deteriorare il segnale. Per compensare questo, possono essere usate fibre a gradiente di indice o la correzione delle distorsioni spazio-temporali ^21.

In contrasto con gli approcci di coniugazione di fase precedente, il nostro metodo SDM proposto può essere utilizzato in applicazioni in cui segnali luminosi indipendenti devono essere trasmessi. metodi di coniugazione di fase sono vantaggiose per quanto riguarda le prestazioni tempo, rispetto ad approcci iterativi o determinazione matrice completa.

Un altro potenziale campo di applicazione potrebbe essere la consegna luce endoscopica, per esempio in corrispondenza di limitatori ottici o in optogenetics. Per optogenetics, il nostro metodo è vantaggioso per quanto riguarda l'illuminazione selettiva dei singoli neuroni per analizzare il comportamento del cervello e comprendere meglio le malattie neurodegenerative.

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.