Ukrainian Journal of Physical Optics


2026 Volume 27, Issue 1


ISSN 1816-2002 (Online), ISSN 1609-1833 (Print)

COMPARATIVE ANALYSIS OF GRADED-INDEX AND STEP-INDEX OPTICAL FIBERS FOR STED MICROSCOPY

O. V. Angelsky, P. P. Maksymiak and S. P. Shchukin

Author Information
O. V. Angelsky ORCID logo SCOPUS logo, P. P. Maksymiak SCOPUS logo, *S. P. Shchukin
Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, Department of Correlation Optics, 2 Kotsiubynskoho St., Chernivtsi, 58012, Ukraine
* Corresponding author: shchukin.serhii@chnu.edu.ua

ABSTRACT

Stimulated Emission Depletion (STED) microscopy is a super-resolution technique that uses structured light to break through the diffraction limit of traditional optical microscopy. A key part of STED is producing and delivering a donut-shaped depletion beam, typically achieved using optical vortex modes. This paper compares two types of optical fibers, step-index and parabolic graded-index (GRIN) fibers, in their ability to support and deliver the specific mode profiles needed for STED, such as Gaussian-like and vortex beams. Step-index fibers are simpler but have higher intermodal dispersion, modal degeneracy, and are more sensitive to perturbations. In contrast, GRIN fibers reduce modal dispersion, enhance mode stability, and improve spatial confinement because of their smooth refractive index profile. By constructing and analyzing mode field intensity distributions for specific fiber parameters, we demonstrate that GRIN fibers more effectively support dual-mode propagation and stable beam delivery for excitation and depletion wavelengths. These traits make them more suitable for compact, fiber-integrated STED microscopy systems. The findings aid in selecting and optimizing fibers for high-resolution imaging applications.

Keywords: optical fibers, optical vortices, LP modes, STED microscopy

UDC: 621.372: 535.38: 621.373

    1. Hell, S. W., & Wichmann, J. (1994). Breaking the diffraction resolution limit by stimulated emission: stimulated-emission-depletion fluorescence microscopy. Optics Letters, 19(11), 780-782.
      doi:10.1364/OL.19.000780
    2. Blom, H., & Widengren, J. (2017). Stimulated emission depletion microscopy. Chemical reviews, 117(11), 7377-7427.
      doi:10.1021/acs.chemrev.6b00653
    3. Allen, L., Barnett, S. M., & Padgett, M. J. (2016). Optical angular momentum. CRC press.
      doi:10.1201/9781482269017
    4. Fu, S., & Gao, C. (2023). Optical vortex beams. Springer.
      doi:10.1007/978-981-99-1810-2
    5. Ma, M., Lian, Y., Wang, Y., & Lu, Z. (2021). Generation, transmission and application of orbital angular momentum in optical fiber: A review. Frontiers in Physics, 9, 773505.
      doi:10.3389/fphy.2021.773505
    6. Ramachandran, S., & Kristensen, P. (2013). Optical vortices in fiber. Nanophotonics, 2(5-6), 455-474.
      doi:10.1515/nanoph-2013-0047
    7. Snyder, A. W., & Love, J. D. (1983). Optical waveguide theory (Vol. 175). London: Chapman and Hall.
    8. Bozinovic, N., Yue, Y., Ren, Y., Tur, M., Kristensen, P., Huang, H., Willner, A.E. & Ramachandran, S. (2013). Terabit-scale orbital angular momentum mode division multiplexing in fibers. Science, 340(6140), 1545-1548.
      doi:10.1126/science.1237861
    9. Yan, L., Kristensen, P., & Ramachandran, S. (2019). Vortex fibers for STED microscopy. APL Photonics, 4(2).
      doi:10.1063/1.5045233
    10. Heffernan, B. M., Meyer, S. A., Restrepo, D., Siemens, M. E., Gibson, E. A., & Gopinath, J. T. (2019). A fiber-coupled stimulated emission depletion microscope for bend-insensitive through-fiber imaging. Scientific Reports, 9(1), 11137.
      doi:10.1038/s41598-019-47319-w
    11. Khonina, S. N., Striletz, A. S., Kovalev, A. A., & Kotlyar, V. V. (2010, January). Propagation of laser vortex beams in a parabolic optical fiber. In Optical Technologies for Telecommunications 2009 (Vol. 7523, pp. 82-93). SPIE.
      doi:10.1117/12.854883
    12. Collado Hernández, A., Marroquín Gutiérrrez, F., & Rodríguez-Lara, B. M. (2024). Harmonic motion modes in parabolic GRIN fibers. Optics Continuum, 3(6), 1025-1037.
      doi:10.1364/OPTCON.525575
    13. Black, R. J., & Ankiewicz, A. (1985). Fiber‐optic analogies with mechanics. American Journal of Physics, 53(6), 554-563.
      doi:10.1119/1.14237

    Мікроскопія на основі стимульованого випромінювання та пригнічення спонтанного випромінювання (STED) – це метод над роздільної здатності, який спирається на структуроване світло для подолання дифракційної межі звичайної оптичної мікроскопії. Критичною функцією STED є генерація та передача променя пригнічення у тороїдальній формі, що, зазвичай, досягається за допомогою оптичних вихрових мод. У цій статті порівнюються два типи оптичних волокон: волокна зі східчастим профілем показника заломлення та волокна з параболічним градієнтним профілем показника заломлення (GRIN), щодо їхньої здатності підтримувати та передавати специфічні профілі мод, необхідні для STED, а саме гаусові та вихрові промені. Волокна зі східчастим профілем є простими, але їх недоліками є вища міжмодова дисперсія, модальне виродження та чутливості до збурень. Натомість волокна GRIN забезпечують зменшену модальну дисперсію, підвищену стабільність мод та покращене просторове обмеження завдяки плавному профілю показника заломлення. На основі побудови та аналізу розподілів інтенсивності мод для обраних параметрів волокон ми показуємо, що волокна GRIN більш ефективно підтримують одночасне поширення двох мод і стабільне доставляння променя для довжин хвиль збудження та пригнічення. Ці властивості роблять їх кращими для компактних інтегрованих систем мікроскопії STED. Отримані результати можуть слугувати орієнтиром для вибору та оптимізації волокон для візуалізації з високою роздільною здатністю.

    Ключові слова: оптичні волокна, оптичні вихори, LP-моди, STED-мікроскопія

Free download this article 

This work is licensed under CC BY 4.0