ウェーブフロントシェイピングを用いた光ファイバを介して複数の信号の伝送

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.

マルチモード光ファイバを介して複数の独立した光信号の伝送は、ファイバ内伝搬中の光の歪みを補償するために、波面整形を用いて達成されます。私たちの方法論は、光の波面を個別変調器の異なる領域で変調された単一の空間光変調器、光信号ごとに一つの領域を使用するデジタル光位相共役に基づいています。デジタル光位相共役アプローチは、繊維の波伝播挙動の完全な決意が行われる（例えば）他の波面成形アプローチよりも速くなると考えられます。それが唯一の光信号ごとに1キャリブレーションを必要とするのでこれとは対照的に、提示されたアプローチは、時間効率的です。提案手法は、通信工学における空間分割多重化のための潜在的に適切です。さらに応用分野は、特にOで、バイオフォトニクスにおける内視鏡の光配信されています生体組織内の単一の細胞が選択的に高い空間分解能と時間分解能で照明されなければならないptogenetics、。

マルチモードファイバ（MMF）を介して複数の光信号の伝送は、通信技術¹及びバイオフォトニクス²に明らかです。通信技術において、空間分割多重（SDM）は、複数のシングルモードファイバと比較して、限られた空間の高い利用の恩恵を受け、将来のデータ転送アプリケーション用の光ファイバの伝送容量を高めるために実行可能な解決策であると考えられています^3。バイオフォトニクスでは、生物学的サンプルは、MMF内視鏡⁴を透過する光によって操作されています。例えば、MMFの内視鏡を使用して、個々のニューロンの独立した光制御は、脳⁵におけるニューロンネットワークを研究するために、光遺伝学のために重要です。しかし、MMF入力ファセットに投影される光は、outpuへの伝播中に歪みによるモードの混合分散の対象となりますMMFのトンファセット。その結果、光の伝搬は、信号伝送が困難な作るれ、変更されます。

波面整形方法^{6は 、 図7に示すように} 、空間光変調器（SLM）を使用して、散乱媒体に適用し、光による伝播⁸時の散乱による歪みの補償を可能にしています。光フィードバック^9を使用して出力を最適化する反復アプローチがあります。これらのアプローチは、変調器要素の多くに対応するために多数の反復の必要性と高い自由度のかかるかなりの時間です。別のアプローチは、完全にその送信行列¹⁰によって記述MMF内の歪みを決定することです。送信されるモードの数が多い場合、これは、同様に時間がかかるであろう。対照的に、デジタル光位相共役（DOPC）があると考えられています迅速かつ有利ここで、ほんの数焦点がMMFの出力面で生成されなければならないからです。位相共役アプローチは、生体組織^{12、13、14を}介して集束またはイメージングのために実証されています。

これまで、DOPCは、単一の時間信号のみ^15、16のために使用し、そしてMMF ¹⁷を通る光の透過のために適用しました。複数の独立した信号のDOPCのアプローチがなされていません。我々は、単相のみのSLM ^18を用い^て 、各信号のために整形する個々の波面を使用して複数の光信号の独立した伝送を提供する強化されたDOPC方法を開発しました。この目的のために、SLMは各信号に対して1つを送信する、領域に分割されます。提案された実験は、 図1に示されていますキャリブレーションは、実際の送信前）に行われる場合、）（b）に発生します。

図1：実験セットアップ。 BS =ビームスプリッタ、CCD =電荷結合素子、OM =光変調器、CMOS =相補型金属酸化膜半導体、HWP =半波長板、L =レンズ、LP =直線偏光子、MMF =マルチモードファイバ、OBJ =顕微鏡対物レンズ、 PBSは=偏光ビームスプリッタ、SLM =空間光変調器（位相のみ） - （a）のキャリブレーションおよび（b）の伝送にのみ関連ビームが描かれている。この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

1.実験のセットアップを組み立て

1. 近位側の準備
   1. 配置し、平行光ビームを提供するレーザーを修正 - またはファイバの出射端面での視準光学系とファイバ結合レーザーを使用しています。
   2. 参照物体ビームにレーザビームを分割する偏光ビームスプリッタ（PBS）を置きます。 （先端側）の参照光と物体光のパワーがほぼ同じになるまでマウントその回転にHWPを回転させることにより、半波長板（HWP）の方向に回します。リファレンスと物体光の両方にスクリーンを置くことによって、これを確認してください。参照ビームの偏光は、偏光に敏感な空間光変調器（SLM）に収まるようにPBSの向きを選択します。
   3. 2つのビームに基準ビームを分割する基準ビームにビームスプリッタ（BS）を置きます。 BS1からのこれら二つのビームはそれぞれ、OM1とOM2を渡すことができるような光変調器（OM）を配置します。
   4. 二つのミラーを採用したBS2でOM1とOM2を通過する二つのビームを結合します。両方のビームが空間的に分離されるように、ビームスプリッタとミラーを調整します。
   5. 慎重に両ビームの入射方向が最初でBS3とBS4を無視して、SLMの画素面に垂直であることを確認するために、BS5を揃えます。最初は、何もSLM上に表示されていない、 すなわち 、それは（ステップ2を通じて）、キャリブレーションが終了するまで、ミラーのように作用します。
   6. 位置と二つのレンズ（L）との間の距離相補型金属酸化膜半導体（CMOS）カメラでSLM面の鮮明な画像を得るためにケプラー望遠鏡を構成し調整します。 L1とL2の正しい方向を見て、収差を最小化するために（平坦な側面が互いに対向しています）。
2. 遠位側の準備
   1. 2つのビームに物体光を分割し、2ミラーを採用しBS8でそれらを組み合わせることBS7を使用してください。ここでも、ビームスプリッタとマイルを調整両方のビームが空間的に分離されるようにrrors。
   2. 顕微鏡対物レンズ（OBJ）にそれらを目指してBS9を使用して両方のビームを偏向。マルチモードファイバ（MMF）の先端にOBJ2焦点を当てます。 L3および電荷結合素子（CCD）カメラを採用したMMFからの後方反射を観察することによりピントを確認してください。
3. 接続する近位および遠位側
   1. MMF採用OBJ1を出た物体光からの光を平行。
   2. 最初は直線偏光子（LP）を無視し、BS6を使用してオブジェクトビームを分割します。 BS3とBS4の両方で参照光ミラーを採用して、両方の物体光を兼ね備えています。ビームスプリッタとミラーを調整するように小さな角度（1°未満）と交差するSLMでの基準と物体光の重なりの各ペア、。
   3. リファレンスのパワーと物体光は、ステップ1.1.2によると、HWPの向きを回転させることによりほぼ等しいことを確認してください。
   4. 干渉pをチェックCMOSカメラでattern（オフアクシスホログラム）、それに応じて交差角度を調整します。干渉縞の間隔はおおよそのCMOSカメラの2つの画素の大きさに等しくなるまで、角度を大きくします。
   5. カメラ画像は異なる縞を示すように、CMOSカメラ画像における干渉パターンの最大のコントラストを得るためにオブジェクトと参照光の偏光に一致するようにLPの向きを調整します。

2.システムのキャリブレーション

1. SLMとCMOSとの画素の関係をキャリブレーション
   1. 参照光の一方のみを用いて全SLMを照射し、他の参照をブロックし、ビームをオブジェクト。
   2. CMOSカメラとSLMの画像をキャプチャします。
   3. 例えば PCでグラフィックソフトウェアとマウスカーソルを使用して、CMOSのカメラ画像におけるSLMの左上隅の座標を取得します。これらのピクセル座標は原点として使用しますSLMに関する。
   4. すべてのビームブロックを削除します。
2. 信号経路のキャリブレーション
   1. 参照光2と物体ビーム2の両方をブロックします。
   2. CMOSカメラとホログラムの画像をキャプチャします。角スペクトル法^19を使用して記録されたホログラムの位相を評価します。ビーム1の対応する領域での位相反転を計算します。
   3. ビームフォーマのブロックを削除し、現在参照ビーム1と物体光1の両方をブロックします。
   4. CMOSカメラとホログラムの画像をキャプチャします。再び角スペクトル法を用いて記録されたホログラムの位相を測定します。ビーム2の対応する領域で反転位相を計算します。
   5. すべてのビームブロックを削除します。

3.信号を送信します

1. 物体光をブロックします。
2. 一緒ビーム1,2の対応する領域で計算反転位相画像をステッチして表示SLM上の画像全体は、典型的には、コンピュータグラフィックスポートを使用します。
3. OM1とOM2を活性化することによって、入力信号1及び2の変調を開始します。
4. CCDカメラの出力信号1と2を観察します。

長さ2mファイバの先端側の典型的な出力信号は、 図2に示されています。所望の焦点スポット（ピーク）は原則としてDOPCの不完全性に起因する望ましくないスペックルパターン（背景）、を伴っていることに注意してください。対応するピーク対バックグラウンド比（PBR）が53に達する（単に信号1が 'on'である）、36はそれぞれ、ここで（両方の信号1と2が「オン」である）（単に信号2が 'on'である）と20 。 （1710現在）が使用されるモードの多くをサポートしている繊維を時PBRを増加させることができます。

有限PBR、 図3に視覚化された出力信号間のクロストークの結果に起因します。周波数f1、-24デシベル（信号2からの信号1）と（信号1からの信号2）-29デシベルにf2の量の周期信号の間のクロストーク。

図3：時間周波数送信出力信号1のスペクトル（左）および2（右）。振幅[AU] この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

実験（プロトコルにおけるステップ1）の組立は、互いに対する光学部品の徹底的な位置合わせを必要とします。最も重要な側面は、高PBRを確保するためにSLM上に参照光の矩形発生です。

二つ以上の送信信号の設定を高めるために、追加のビームスプリッタを使用することができます。別の方法として、光ファイバベースの実装は、よりコンパクトで、システムはバイオフォトニクスにおけるその場での調査に携帯用であることを可能にする堅牢であろう。片面のみアクセス可能である場合には、モデルベースの較正溶液^20は、将来^のステップのように達成される必要があります。複数の信号が送信され、複数のモードは、SLMとCMOSカメラの両方でより多くのピクセルがPBRを達成するために関与することがありますので、必要になります。また、画素数は、モードの数以上であるべきです。広告でditionは、SLMのピクセルサイズは、近位側の最小スペックル径のサイズの2倍であるべきです。さらに、SLMは、少なくとも4ビットのビット深度を持つことをお勧めします。 CMOSで示さカメラの画素数は、SLMピクセルの数を超えている必要があります。しかしながら、任意の他の検出器タイプを使用することができる代わりに、CMOSカメラ、 例えば CCD。同じことが、CCDで示すカメラに当てはまります。

提案された方法の1つの制限は、光源は、位相測定に必要なホログラムの干渉を確実にするために、大きなコヒーレンス長（低いスペクトル帯域幅）を必要とすることです。また、システムが安定していなければならない、繊維のない変更やキャリブレーションとトランスミッションの間の光学セットアップ、すなわちない現在、1秒未満であるキャリブレーションの継続時間よりも高速であること許容されています。長繊維と高い信号周波数のために、異なる繊維のモードの群速度分散を有します考慮しなければ、信号を劣化させることができます。それを補償するために、屈折率分布型繊維または時空間歪み²¹の補正を使用することができます。

前の位相共役アプローチとは対照的に、提案SDM法は、独立した光信号が送信されなければならない用途に使用することができます。位相共役法は、反復アプローチまたは完全なマトリックス決意に比べて、時間性能に関して有利です。

一つの更なる潜在的な適用分野は、光トラップでまたは光遺伝学で、例えば、内視鏡光配信することができます。光遺伝学のために、私たちの方法は、脳の行動を分析し、より良い神経変性疾患を理解するために単一ニューロンの選択照明に関して有利です。

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.